JPH02198778A - Master slave manipulator system - Google Patents
Master slave manipulator systemInfo
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- JPH02198778A JPH02198778A JP26890789A JP26890789A JPH02198778A JP H02198778 A JPH02198778 A JP H02198778A JP 26890789 A JP26890789 A JP 26890789A JP 26890789 A JP26890789 A JP 26890789A JP H02198778 A JPH02198778 A JP H02198778A
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- B25J9/00—Programme-controlled manipulators
- B25J9/0009—Constructional details, e.g. manipulator supports, bases
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
本発明はオペレータが操作するマニピュレータに係り、
特に人間にとって耐え難い環境および宇宙空間内での作
業を確実に行なうに好適なマニピュレータシステムに関
するものである。[Detailed Description of the Invention] [Field of Industrial Application] The present invention relates to a manipulator operated by an operator,
In particular, the present invention relates to a manipulator system suitable for reliably performing work in environments that are intolerable to humans and in outer space.
従来のマニピュレータは、複雑なマニピュレータの動作
を行なうのをオペレータの技量に頼る傾向があった。例
えば、マスタースレーブ形においては、マスターアーム
とスレーブアームを同−形状又は相似形になっているた
め、マスターアームが人間の操作に不適な構造であった
り、オペレータ自身がマスターアームの操作の邪魔にな
ってしまうほど大きかったり、また細かい操作ができな
いことがあった。Traditional manipulators have tended to rely on operator skill to perform complex manipulator movements. For example, in the master-slave type, the master arm and slave arm have the same or similar shapes, so the master arm may have a structure unsuitable for human operation, or the operator may get in the way of operating the master arm. Sometimes it was so big that I ended up getting stuck, and sometimes I couldn't perform detailed operations.
最近では、コンピュータ技術の急速な進歩により、マニ
ピュレータやロボットの制御に計算機を取り入れ、高度
化して来ている。その−例として、アイ・イー・コン’
８５ （ＩＥＣＯＮ’ ８４）の第４０頁〜第４５頁
に示されるように、形状の異なるマスターアームとスレ
ーブアームとの手先の運動を計算機を用いた高速座標変
換演算により１対１に対応させているものがある。Recently, due to rapid advances in computer technology, computers have been incorporated into the control of manipulators and robots, making them more sophisticated. For example, I.E.K.
As shown on pages 40 to 45 of IECON' 85 (IECON' 84), the hand movements of the master arm and slave arm, which have different shapes, are made to correspond one-to-one through high-speed coordinate transformation calculations using a computer. There are some.
このように異形マスタスレーブシステムを用いれば、ス
レーブアームは可動範囲を広くするように構成し、マス
ターアームは、人間の体に合わせて構成して操作性能を
向上させることができる。By using the irregularly shaped master-slave system in this way, the slave arm can be configured to have a wide range of movement, and the master arm can be configured to fit the human body to improve operational performance.
このように、計算機を利用すれば、操作性や作業性を向
上させることができるが、さらにマスター及びスレーブ
アームの機構の検討によって、計算機を利用することに
よる価値を一層高めることができる。このような研究は
、日本ロボット学会誌′８６年１０月号第４刊第５号の
Ｐ３〜Ｐ１３及びＰ１４〜Ｐ２１にみられるごとく進め
られている。In this way, using a computer can improve operability and work efficiency, but the value of using a computer can be further increased by studying the mechanisms of the master and slave arms. Such research is progressing as seen in P3 to P13 and P14 to P21 of the October 1986 issue of the Journal of the Robotics Society of Japan, No. 4, No. 5.
しかし、このような研究も追従性や計算時間の面からの
検討にとどまり、使いやすさからの検討は充分でない。However, such research only focuses on followability and calculation time, and does not sufficiently consider usability.
マスターアームの構造を使いやすさとの関連で示した発
表には前記日本ロボット学会誌の文献があるが、スレー
ブアームを含めたシステムとしては、解決されていない
。There is a publication in the Journal of the Robotics Society of Japan that describes the structure of the master arm in relation to ease of use, but the problem has not been solved as a system including a slave arm.
なお、マスターアームの構造をその作業性からみた特許
としては、例えば特開昭６３−２２２８３号公報がある
。Note that, as a patent that examines the structure of the master arm from the viewpoint of its workability, there is, for example, Japanese Unexamined Patent Publication No. 63-22283.
本発明の目的は、使いやすさの問題をマスタースレーブ
マニピュレータシステムとして解決することにある。The purpose of the invention is to solve the problem of ease of use as a master-slave manipulator system.
使いやすさの点からみると、人間の目と手の関係、手首
の曲げ角度、ひねり角度、前後傾斜角等の状況、腕の自
由度及び上下、前後、左右の動作しやすい範囲などから
マスクの望ましい構造が決められなければならない。From the point of view of ease of use, the mask is designed based on factors such as the relationship between the human eye and the hand, the bending angle of the wrist, twisting angle, front-back tilt angle, etc., the degree of freedom of the arm, and the range of movement that is easy to move up and down, forward and backward, and left and right. The desired structure must be determined.
また、スレーブアームについては、作業内容、運搬時の
折りたたみ性、可動領域によってその構造が制約される
。Furthermore, the structure of the slave arm is limited by the work content, foldability during transportation, and movable area.
操作性、作業性はこのほかに特異点についても考慮を払
わなければならない。In addition to operability and workability, consideration must also be given to singularities.
以上のように検討して制御面も合わせて総合化すること
により、マスタスレーブマニピュレータのシステムとし
ての操作性、作業性の面からの向上がはかれる。By examining and integrating the control aspects as described above, it is possible to improve the operability and workability of the master-slave manipulator as a system.
マスタアームの構造は、人間の体格との関係から決まり
、スレーブアームはその用途によって望ましい構造が定
まるのでそれぞれ異った部分と類似の部分を持つことに
なる。The structure of the master arm is determined in relation to the human physique, and the desired structure of the slave arm is determined depending on its use, so each arm will have different parts and similar parts.
このように寸法や形が大幅に異なるアームをマスタース
レーブマニピュレータとして使用するためには、その関
係が常に１対１に対応させられなければならない。この
ためには、座標変換装置が必要である。しかも、小形の
マスターアームで大形のスレーブアームも大きく動かし
たい場合には、動作比の拡大を行なう必要がある。また
、上記と同じアームで、スレーブアームの広い動作領域
のそれぞれの部分で細かい作業をしたい場合には、動作
点の基点シフトや動作比の縮小を行なう必要がある。In order to use arms with such widely different sizes and shapes as master-slave manipulators, their relationship must always be one-to-one. For this purpose, a coordinate transformation device is required. Furthermore, if it is desired to move a large slave arm by a small master arm, it is necessary to increase the operating ratio. Furthermore, if it is desired to perform detailed work in each part of the wide operating range of the slave arm using the same arm as above, it is necessary to shift the base point of the operating point or reduce the operating ratio.
上記のために、座標変換装置のデータをさらに変換する
ための座標変換追加装置が必要である。Because of the above, a coordinate transformation addition device is required to further transform the data of the coordinate transformation device.
マスターアームスレープアームともに６自由度が必要で
あるが、動作中それぞれの軸のどれかの中心が一致する
と動作すべき軸が決定できない問題が生ずる。このよう
な得意点解決のためには、マスターアームは構造でスレ
ーブアームは、制御的に解決しなければならない。Both the master arm and the slave arm require six degrees of freedom, but if the centers of any of their axes coincide during operation, a problem arises in that the axis to be operated cannot be determined. In order to solve such a strong point, the master arm must be structured and the slave arm must be solved in a controlled manner.
本発明は以上のような問題に鑑みてなされたもので、マ
スタースレーブマニュピレータの操作性と作業性の向上
のためには、構造と制御を含めてシステムとして解決し
ようとするものである。The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and aims to solve the problem as a system including structure and control in order to improve the operability and workability of a master-slave manipulator.
オペレータが操作するマスターアームは、人間の腕の構
造に合わせて、小さな動きでマスターアームが良く動く
ように、どの軸も他の軸とすべての動作領域で一致しな
いようにして常に一意的に操作でき、操作しやすい形状
と大きさを持っている。The master arm operated by the operator is always uniquely operated by ensuring that no axis coincides with any other axis in all operating ranges, so that the master arm can move well with small movements in accordance with the structure of the human arm. It has a shape and size that makes it easy to operate.
スレーブアームは、必要な空間を動作できる大きさを持
ち、相手部品を取扱うのに適した構造を持ち、運搬に適
する要件を備えている。The slave arm is large enough to operate in the required space, has a structure suitable for handling mating parts, and has requirements suitable for transportation.
このようなマスタースレーブシステムをオペレータが充
分に使いこなすため、マスターアームとスレーブアーム
の動作比が自由に変えられるように、マスターアームが
動作限界を越えないため基点シフトができるように第２
の一般化座標変換装置を有している。In order for the operator to fully utilize such a master-slave system, a second controller is installed so that the operating ratio of the master arm and slave arm can be freely changed, and the base point can be shifted so that the master arm does not exceed its operating limit.
It has a generalized coordinate transformation device.
さらに、スレーブアームが特異点に来そうになると、そ
れを回避して、動作に支障がなくなるように制御する機
能を有している。Furthermore, if the slave arm is about to reach a singular point, it has a function to avoid it and control it so that there is no problem in operation.
このようにして、操作性と作業性とのすぐれたマスター
スレーブシステムが構成される。In this way, a master-slave system with excellent operability and workability is constructed.
以下、本発明の実施例を図面を参照してまず制御面から
説明する。Hereinafter, embodiments of the present invention will be described first from the control aspect with reference to the drawings.
まず、本発明の装置の一実施例を説明するに先。First, an embodiment of the apparatus of the present invention will be explained.
立って、本発明の動作原理を第５図を用いて説明する。The operating principle of the present invention will now be explained with reference to FIG.
この図において、１０１はマスターアーム、１０２はス
レーブアームで、この例ではスレーブアーム１０２はマ
スターアーム１０１と異なる構造に形成されている。い
ま、マスターアーム１０１の基準座標系をＭ、この基準
座標系Ｍからマスタアーム
をＴτ、スレーブアーム１０２の基準座標系をＳ、この
基準座標系Ｓからスレーブアーム１０２の手先までの座
標変換マドリスクをＴ： とじ、前述した座標変換マト
リクスをＴ、 、 Ｔ、間でのスケール変換７１−リク
スをＫとすると、座標変換装置の手順は次のようになる
。すなわち、
マスターアーム１０１の各リンクのパラメータを各リン
ク連結軸の位置とから前述したマスターアーム手先まで
の座標変換マトリクスをＴτを求めることができる。次
にマスターアーム手先までの座標変換マトリクスをＴで
とスレーブアーム手先までの座標変換マトリクスＴ：
との間でのスケール変換及び基点シフトを含んだ座標変
換演算は松の（１）式で表わされる。In this figure, 101 is a master arm, and 102 is a slave arm. In this example, the slave arm 102 has a different structure from the master arm 101. Now, the reference coordinate system of the master arm 101 is M, the master arm is Tτ from this reference coordinate system M, the reference coordinate system of the slave arm 102 is S, and the coordinate transformation Madrisk from this reference coordinate system S to the tip of the slave arm 102 is T: If the coordinate transformation matrix described above is T, and the scale transformation 71-lix between T and T is K, the procedure of the coordinate transformation device is as follows. That is, it is possible to obtain Tτ, which is a coordinate transformation matrix from the parameter of each link of the master arm 101 to the position of each link connection axis to the tip of the master arm described above. Next, the coordinate transformation matrix up to the master arm tip is T, and the coordinate transformation matrix up to the slave arm tip T:
The coordinate conversion operation including scale conversion and base point shift between the two is expressed by Matsu's equation (1).
Ｔ、＝に−ＴＧ ・・（１）ここでＫは
とすると、ｄ＝ｅ＝ｆ＝ｏのときＴｓＧ はＴ６ をマ
スターアーム１０１の基準座標系ＭのＸ軸方向にａ倍、
ｙ軸方向にｂ倍、Ｚ軸方向に０倍したものとなる。そし
て３軸方向に均等に拡大する場合にはａ＝ｂ＝ｃとすれ
ばよいことになる。そして、前述した（１）式により得
られた変換マトリクスＴ：に対し、スレーブアーム１０
２のリンクパラメータを与え、スレーブアームの各軸の
目標値を逆座標変換演算により求める。このようにして
得られたスレーブアーム１０２の各軸の目標値に対し、
各軸ごとにサーボ制御すれば、各アームの可動領域内で
は、アームの形状に係りなくマスターアーム１０１の運
動を任意に拡大または縮小してスレーブアーム１０２を
操作することができる。T, = -TG...(1) Here, let K be, and when d=e=f=o, TsG is T6 multiplied by a in the X-axis direction of the reference coordinate system M of the master arm 101,
It is multiplied by b times in the y-axis direction and multiplied by 0 in the Z-axis direction. In the case of uniform expansion in three axial directions, it is sufficient to set a=b=c. Then, for the conversion matrix T: obtained by the above-mentioned equation (1), the slave arm 10
2 link parameters are given, and the target value of each axis of the slave arm is determined by inverse coordinate transformation calculation. For the target values of each axis of the slave arm 102 obtained in this way,
If servo control is performed for each axis, the slave arm 102 can be operated by arbitrarily expanding or contracting the movement of the master arm 101 within the movable region of each arm, regardless of the shape of the arm.
欣に、ａ ：＝ ｂ ＝ ｃ ＝ １のとき、ＴＧｌは
Ｔ♂をマスターアーム１の基準座標系ＭのＸ軸方向にｄ
、ｙ方向にｅ、ｚ方向にｆ平行移動したものとなる。In other words, when a := b = c = 1, TGl moves T♂ d in the X-axis direction of the reference coordinate system M of master arm 1.
, e in the y direction and f in the z direction.
そして、前述した（１）式により得られた変換マトリク
スＴｓ′対し、スレーブアーム１０２のリンクパラメー
タを与え、スレーブアーム１０２の各軸の目標値を逆変
換演算により求める。このようにして得られたスレーブ
アーム１０２の各軸の目標値に対し、各軸ごとにサーボ
制御すれば、マスターアームの基準点とスレーブアーム
の基準点を任意にずらして操作することができる。Then, the link parameters of the slave arm 102 are given to the transformation matrix Ts' obtained by the above-mentioned equation (1), and the target values of each axis of the slave arm 102 are determined by an inverse transformation calculation. By performing servo control for each axis with respect to the target value of each axis of the slave arm 102 obtained in this way, it is possible to arbitrarily shift the reference point of the master arm and the reference point of the slave arm.
次に上述した本発明の原理にもとづいて、本発明の装置
の一実施例の構成を第２図により説明する。Next, based on the principle of the present invention described above, the configuration of an embodiment of the apparatus of the present invention will be explained with reference to FIG.
この図において、１０１はマスターアーム、１０２はス
レーブアームで、このスレーブアーム１０２はマスター
アーム１０１とは異なる形状に構成されている。１０５
は中央処理装置で、座標変換演算および両アームの制御
等を行なう。In this figure, 101 is a master arm, and 102 is a slave arm, and this slave arm 102 has a different shape from the master arm 101. 105
is a central processing unit that performs coordinate conversion calculations and control of both arms.
１１８は本発明の特長である座標変換追加装置で、キー
ボードからの入力に基づき（２）式のＫを作り、中央処
理装置１０１に（１）式に示す座標変換を追加する指示
を与える。Reference numeral 118 denotes a coordinate transformation adding device, which is a feature of the present invention, which creates K in equation (2) based on input from the keyboard, and gives an instruction to the central processing unit 101 to add the coordinate transformation shown in equation (1).
１０４はマスターアーム１０１の入出力装置で。104 is an input/output device for the master arm 101.
マスターアーム１０１の各関節角度等を中央処理装置１
０５へ入力し、また中央処理装置１０５からマスターア
ーム１０１への指令値をサーボ増幅し、マスターアーム
１０１の各関節のアクチュエータを駆動する働きをする
。１０６はスレーブアーム１０２の入出力装置でスレー
ブアーム１０２の各関節角度等を中央処理装置１０５へ
入力し、また中央処理装置１０５からスレーブアーム１
０２への指令値をサーボ増幅し、スレーブアーム１０２
の各関節のアクチュエータを駆動する働きをする。The central processing unit 1 calculates each joint angle of the master arm 101.
05, and serves to servo amplify the command value sent from the central processing unit 105 to the master arm 101 and drive the actuators of each joint of the master arm 101. Reference numeral 106 denotes an input/output device for the slave arm 102, which inputs each joint angle of the slave arm 102 to the central processing unit 105, and also inputs information such as the angle of each joint of the slave arm 102 to the central processing unit 105.
Servo amplifies the command value to slave arm 102.
functions to drive the actuators of each joint.
１０７はジョイスティックで、中央処理装置１０５内部
の切換えにより、マスターアーム１０１の代りにスレー
ブアーム１０２、及び後述するアニメーション画像に対
する指令値を出す６１０８はジョイスティック１０７の
入出力装置で、ジョイスティック１０７の傾き角の信号
等を中央処理装置１０５へ入力し、また、中央処理装置
１０５からジョイスティック１０７への力帰還信号をサ
ーボ増幅しジョイスティック１０７のアクチュエータを
駆動する働きをもつ。107 is a joystick, and 6108 is an input/output device for the joystick 107, which outputs a command value for the slave arm 102 instead of the master arm 101 and an animation image to be described later by switching inside the central processing unit 105. It has the function of inputting signals and the like to the central processing unit 105, and servo amplifying force feedback signals from the central processing unit 105 to the joystick 107 to drive the actuator of the joystick 107.
１０９は画像入力装置で、スレーブアーム１０２の作業
を種々の方向から監視する。１１０は画像処理装置で１
画像入力装置１０９で入力した画像にＦＦＴ等の演算を
処し、パターン同定等を行う。An image input device 109 monitors the work of the slave arm 102 from various directions. 110 is an image processing device
The image input by the image input device 109 is subjected to calculations such as FFT, and pattern identification and the like are performed.
１１１はアニメータシミュレータで、コンピュータグラ
フィックによるスレーブアームをリアルタイムで表示す
るアニメーション要計算機である。Reference numeral 111 is an animator simulator, which is an animation-required computer that displays the slave arm in real time using computer graphics.
１１２はグラフィックデイスプレィで、アニメータシミ
ュレータ１１１によるアニメーション画像を表示する他
、アニメーション画像と画像入力袋ｇ１０９で入力した
実画像を重ねて表示することもでき、さらにモード切換
等のメニュー表示を始め、中央処理装置１０５及びアニ
スへタシミュレータ１１１とのマンマシンインタフェー
スの対話用出力にも用いる。１１３はテレビモニタで、
画像入力装置１０９の映像を表示する。１１７はキーボ
ードでスケール変換定数、基点シフト指示メニューの入
力を始め、中央処理装置１０５及びアニメータシミュレ
ータ１１１とのマンマシンインタフェースの対話用入力
に用いる。Reference numeral 112 denotes a graphic display, which not only displays animation images produced by the animator simulator 111, but also can display the animation images and the actual images input using the image input bag g109 overlapping each other, and also displays menus for mode switching, etc. It is also used for output for interaction with the man-machine interface with the processing device 105 and the Anisheta simulator 111. 113 is a TV monitor,
The image from the image input device 109 is displayed. A keyboard 117 is used for inputting scale conversion constants, base point shift instruction menus, and input for interaction with the man-machine interface with the central processing unit 105 and the animator simulator 111.
２０１は真空室、２０２は作業対象物で、スレーブアー
ム１０２は真空室２０１の中の広い範囲において作業対
象物２０１に対し作業を行わねばならない。なお、２０
２はマスターアーム１０１の支持台である。201 is a vacuum chamber, 202 is a workpiece, and the slave arm 102 must work on the workpiece 201 in a wide range within the vacuum chamber 201. In addition, 20
2 is a support stand for the master arm 101.
次に本実施例の信号の流れの主なものを第１図を用いて
説明する。なお、実際のものは、マスターアーム、スレ
ーブアーム、ジョイスティック共に６自由度を持つが、
以下、簡単のため３自由度として説明を行なう。Next, the main signal flow of this embodiment will be explained with reference to FIG. In addition, in reality, the master arm, slave arm, and joystick all have 6 degrees of freedom.
Hereinafter, for the sake of simplicity, the explanation will be given assuming three degrees of freedom.
１１４Ａ〜１１４Ｃはマスターアーム１０１の各関節軸
に設けた位置検出センサであり、この信号はマスターア
ーム入出力袋Ｍ１０４で処理し、中央処理装置１０５へ
入力する。１１５Ａ〜１１５Ｃはスレーブアーム１０２
の各関節軸に設けた位置検出センサであり、この信号は
スレーブアーム入出力装置１０６で処理し、中央処理装
置１０５へ入力する。以上の信号より、中央処理装置１
０５では一般化座標への座標変換演算を行い、さらに座
標変換追加装置１１８の指示に基づき、第２一般化座標
への座標変換を行うことにより、スレーブアーム１０２
への指定値を決定する。この信号はスレーブアーム入出
力装置１０６を経てスレーブアーム１０２の各関節軸に
設けたアクチュエータ１１６Ａ〜１１６Ｃｔｔｉ区動す
る。又同時に、中央処理装置１０５からアニメータシミ
ュレータ１１１へ信号を送り、グラフィックデイスプレ
ィ１１２上にスレーブアームのアニメーション画像を表
示する。114A to 114C are position detection sensors provided at each joint axis of the master arm 101, and these signals are processed by the master arm input/output bag M104 and input to the central processing unit 105. 115A to 115C are slave arms 102
This signal is processed by the slave arm input/output device 106 and input to the central processing unit 105. From the above signals, central processing unit 1
In step 05, the coordinate transformation calculation to the generalized coordinates is performed, and based on the instruction from the coordinate transformation addition device 118, the coordinate transformation to the second generalized coordinates is performed, so that the slave arm 102
Determine the specified value for. This signal passes through the slave arm input/output device 106 and moves the actuators 116A to 116Ctti provided at each joint shaft of the slave arm 102. At the same time, a signal is sent from the central processing unit 105 to the animator simulator 111 to display an animation image of the slave arm on the graphic display 112.
次に、１１７Ａ〜１１７Ｃはジョイスティックの角度を
検出する位置検出センサであり、この信号はジョイステ
ィック入出力袋ｆｆ１１０８で処理し、中央処理装置１
０５へ入力する。中央処理装置１０５ではスレーブアー
ムへの指令を決定する際に、外部からの切換信号に基づ
き、マスターアームとジョイスティックのいずれからの
信号を参照するかを決定する。Next, 117A to 117C are position detection sensors that detect the angle of the joystick, and this signal is processed by the joystick input/output bag ff1108.
Enter into 05. When determining the command to the slave arm, the central processing unit 105 determines which signal from the master arm or the joystick to refer to based on the external switching signal.
また、画像入力装置１０９で入力した画像は。Furthermore, the image input using the image input device 109 is as follows.
画像処理装置１１０でＦＦＴ、パターン同定を行った後
、実画像をテレビモニタ１１３で表示すると同時にアニ
メータシミュレータ１１１へ送り、必要に応じてグラフ
ィックデイスプレィ１１２において、アニメーション画
像に重ねて表示する。After performing FFT and pattern identification in the image processing device 110, the actual image is displayed on a television monitor 113 and simultaneously sent to an animator simulator 111, where it is displayed on a graphic display 112 overlapping the animation image if necessary.
次に、位置検出センサ１１４Ａ〜１１４Ｃからの信号を
マスターアーム入出力装置１０４で処理する際の具体例
を第３図に示す。これはジョイスティック、スレーブア
ームのものに関しても同様である。第３図において位置
検出センサ１１４Ａ〜１１４Ｃとしては回転式パルス発
生器を用いている。この位置検出センサ１１４Ａ〜１１
４Ｃからは９０°位相のずれた１組のパルス信号すなわ
ちＡ相及びＢ相が回転角に応じて発生する。この信号は
方向判別回路３０１に入力されて回転角の方向判別を行
う。一方Ａ相またはＢ相の信号がカウンタ３０２に入力
され、パルス数をカウントする。前記の方向判別回路３
０１より出力される方向信号３０３はカウンタ３０２に
入力され、パルス数の増減の切換えを行う。したがって
、カウンタ３０２の値は回転角の増減に対応して増減す
るので、カウンタ３０２の出力３０４を外部から読み込
むことによって回転角を検知することができる。Next, FIG. 3 shows a specific example in which signals from the position detection sensors 114A to 114C are processed by the master arm input/output device 104. This also applies to joysticks and slave arms. In FIG. 3, rotary pulse generators are used as the position detection sensors 114A to 114C. These position detection sensors 114A to 11
From 4C, a set of pulse signals having a phase shift of 90°, that is, A phase and B phase, is generated depending on the rotation angle. This signal is input to a direction determining circuit 301 to determine the direction of the rotation angle. On the other hand, the A-phase or B-phase signal is input to the counter 302, and the number of pulses is counted. The aforementioned direction discrimination circuit 3
A direction signal 303 outputted from 01 is input to a counter 302, and the number of pulses is changed over to increase or decrease. Therefore, since the value of the counter 302 increases or decreases in accordance with the increase or decrease in the rotation angle, the rotation angle can be detected by reading the output 304 of the counter 302 from the outside.
第４図は中央処理装置１０５の具体的な構成例を示す。FIG. 4 shows a specific example of the configuration of the central processing unit 105.
この中にはデータの入出力制御及び加減算等を行うプロ
セッサ４０１、三角関数表やマニピュレータのリンクパ
ラメタなどのデータを格納するメモリ４０２．掛算器４
０３及び割算器４０４がバス回路４０５で接続されてい
る。さらにこのバス回路４０５にはシリアルまたはバラ
レルのインタフェイス回路４０６Ａ〜４０６Ｅが接続さ
れている。インタフェース回路４０６Ａ〜４０６Ｅには
各アーム入出力装置およびアニメータシミュレータ、座
標変換追加装置が接続されている。プロセッサ４０１は
バス回路４０５を介してバス回路４０５に接続されてい
る全ての機器にアクセスし、データを処理することがで
きる。This includes a processor 401 that performs data input/output control and addition/subtraction, and a memory 402 that stores data such as trigonometric function tables and manipulator link parameters. Multiplier 4
03 and a divider 404 are connected by a bus circuit 405. Furthermore, serial or parallel interface circuits 406A to 406E are connected to this bus circuit 405. Each arm input/output device, an animator simulator, and a coordinate transformation addition device are connected to the interface circuits 406A to 406E. The processor 401 can access all devices connected to the bus circuit 405 via the bus circuit 405 and process data.
次に上述した本発明の装置の一実施例の動作を説明する
。Next, the operation of one embodiment of the above-described apparatus of the present invention will be described.
マスターアーム１０１を動作させると、マスターアーム
１０１の各関節角は位置検出センサ１１４Ａ〜１１４Ｃ
により検出される。この検出信号はマスターアーム入出
力装置１０４を介して中央処理装置１０５に入力される
。中央処理装置１０５はマスターアーム１０１の手先座
標系ＭＣのマスターアーム基準座標系Ｍに対する相対位
置関係を座標変換マトリクスＴごとして記憶しており、
一般化座標への座標変換演算を行う。また２キーボード
１１７からの入力に基づき座標追加装置１１８はマスタ
ーアーム１０１の手先運動に対するスレーブアーム１０
２の手先の運動の寸法比率すなわちスケール変換定数、
およびマスターアーム１０１の先端の位置とスレーブア
ーム１０２の先端の位置の基準点のシフト量を示すマト
リクスＫを記憶しており、中央処理装置１０５に座標変
換の追加を指示する。すると、中央処理装置１０５はマ
スターアーム座標変換マトリクスＴｒｒ：に対しＫを作
用させる演算を行い、スレーブアーム座標変換マトリク
スＴ： を得る。次に、スレーブアーム１０２の手先座
標系ＳＣのスレーブアーム基準座標系Ｓに対する相対位
置がスレーブアーム座標変換マトリクスＴ６に一致する
ようにしたときのスレーブアーム１０２の各関節軸目標
値を逆座標変換演算により求め、これをスレーブアーム
入出力装置１０６に出力する。スレーブアーム入出力装
置１０６はアクチュエータ１１６八〜１１６Ｃを駆動す
る。これにより、マスターアーム１０１の手先の運動を
スケール変換、基点シフトあるいは両方を行ってスレー
ブアーム１０２の手先の運動に伝達することができる。When the master arm 101 is operated, each joint angle of the master arm 101 is detected by the position detection sensors 114A to 114C.
Detected by This detection signal is input to the central processing unit 105 via the master arm input/output device 104. The central processing unit 105 stores the relative positional relationship of the hand coordinate system MC of the master arm 101 with respect to the master arm reference coordinate system M as a coordinate transformation matrix T.
Performs a coordinate conversion operation to generalized coordinates. Also, based on the input from the second keyboard 117, the coordinate adding device 118 adjusts the coordinates of the slave arm 10 for the hand movement of the master arm 101.
The dimensional ratio of the movement of the hand of 2, that is, the scale conversion constant,
It also stores a matrix K indicating the shift amount of the reference point between the position of the tip of the master arm 101 and the position of the tip of the slave arm 102, and instructs the central processing unit 105 to add coordinate transformation. Then, the central processing unit 105 performs a calculation to apply K to the master arm coordinate transformation matrix Trr: to obtain a slave arm coordinate transformation matrix T:. Next, when the relative position of the hand coordinate system SC of the slave arm 102 with respect to the slave arm reference coordinate system S matches the slave arm coordinate transformation matrix T6, each joint axis target value of the slave arm 102 is calculated by inverse coordinate transformation. and outputs it to the slave arm input/output device 106. Slave arm input/output device 106 drives actuators 1168-116C. Thereby, the movement of the hand of the master arm 101 can be transmitted to the movement of the hand of the slave arm 102 by performing scale conversion, base point shift, or both.
この結果、各アームの可動領域内では、アームの形状に
係りなく、マスターアーム１０１の運動を、任意に拡大
または縮小してスレーブアーム１０２に伝えることがで
き、マスターアーム１０１の操作に対してスレーブアー
ム１０２を細かく運動させたり、粗雑であるが大きく動
作を与えることができる。As a result, within the movable range of each arm, regardless of the shape of the arm, the movement of the master arm 101 can be arbitrarily expanded or contracted and transmitted to the slave arm 102. The arm 102 can be moved finely or coarsely but largely.
また、キーボード１１７の入力により座標変換追加装置
１１８の指令で中央処理装置１０５は、スレーブアーム
１０２を一時的にマスターアーム１０１から切離して静
止させておき、操作者はマスターアーム１０１のみを任
意の位置まで動かす。Further, in response to an input from the keyboard 117 and a command from the coordinate transformation addition device 118, the central processing unit 105 temporarily separates the slave arm 102 from the master arm 101 and holds it stationary, allowing the operator to move only the master arm 101 to any desired position. Move up to
この状態で、座標変換追加装置１１８は、マスターアー
ム１０１とスレーブアーム１０２の位置ずれ量を（２）
式のｄ、ｅ、ｆの部分に記憶し直して再びキーボード１
１７の入力によってマスターアーム１０１とスレーブア
ーム１０２を連動するようにすることにより、マスター
アーム１０１とスレーブアーム１０２の動作基準点を自
由に設定し直すことができ、常にマスターアーム１０１
を操縦者にとって操作し易い位置で動かすことができる
。In this state, the coordinate transformation addition device 118 calculates the amount of positional deviation between the master arm 101 and the slave arm 102 by (2)
Re-memorize the d, e, and f parts of the equation and press keyboard 1 again.
By making the master arm 101 and slave arm 102 interlock with each other by inputting 17, it is possible to freely reset the operation reference point of the master arm 101 and slave arm 102, and the master arm 101 is always connected.
can be moved to a position that is easy for the operator to operate.
次に第２図に示したマスターアーム１０１及びスレーブ
アーム１０２を構造面から説明する。Next, the master arm 101 and slave arm 102 shown in FIG. 2 will be explained from a structural perspective.
マスターアーム１０１の構造は、人間の腕や手首との関
係が深いので、まず人間とマスターアーム１０１の配置
について説明する。Since the structure of the master arm 101 is closely related to the human arm and wrist, the arrangement of the human and the master arm 101 will be explained first.
説明を簡単にするため６０１の右手で操作する場合につ
いて述べる。To simplify the explanation, a case will be described in which the operation is performed with the right hand of 601.
第６図は、人間を上から見た図である。人が操作するマ
スターアームは６０２の、視野のさまたげにならぬよう
に配置するには、目からみて右手６０１の背後の領域、
すなわち６０３の位置が望ましい。FIG. 6 is a diagram of a human being seen from above. In order to place the master arm operated by a person 602 so as not to obstruct the field of view, it is necessary to place it in the area behind the right hand 601 as seen from the eye.
In other words, the position 603 is desirable.
次に、人が手を動かすとき、なるべくひじ６０４より先
を動かすだけですませると楽である。Next, when a person moves his or her hand, it is easier if the person only moves the part beyond the elbow 604 as much as possible.
そのためにＸ軸方向の動作に関与する６０５のＸ軸装置
の６０６の中心軸は、右手６０１の中心と６０７の手首
中心との延長線上でかつ前方にあるのが望ましい。For this purpose, it is desirable that the central axis 606 of the X-axis device 605 involved in the movement in the X-axis direction be on the extension line of the center of the right hand 601 and the center of the wrist 607 and in front.
手首６０７より先の動きは、第６図に示すごとく、６０
８の体の中心線に向う方向に余裕があるので中心軸６０
６は、中心線６０８にずらすのは５０＋Ｎｎ程度許され
る。The movement beyond the wrist 607 is as shown in FIG.
Since there is room in the direction toward the center line of the body of 8, the center axis is 60.
6 is allowed to shift by about 50+Nn toward the center line 608.
また、Ｙ軸方向の動作に関与する６０９のＹ軸装置の６
１０の中心軸は、右手６０１を楽に伸ばした手首中心６
０７の位置に近いことが望まれる。In addition, 6 of the 609 Y-axis devices involved in the movement in the Y-axis direction
The central axis of 10 is the wrist center 6 with the right hand 601 comfortably extended.
It is desirable that it be close to the position of 07.
以上第６図で示したことは、マスターアーム１０１は６
０３の位置に置かれ、Ｘ軸方向のＸ軸装置６０５の中心
軸６０６は右手６０１の中心にほぼ一致させ、Ｙ軸方向
のＹ軸装置６０９の中心軸６１０は右手６０１を楽に伸
ばした手首中心６０７に設けることになる。すなわちマ
スターアーム１０１は、右手６０１をとり囲むような構
造でかつそのような位置に設置される。What has been shown in FIG. 6 above is that the master arm 101 has six
03 position, the central axis 606 of the X-axis device 605 in the X-axis direction is approximately aligned with the center of the right hand 601, and the central axis 610 of the Y-axis device 609 in the Y-axis direction is the center of the wrist when the right hand 601 is comfortably extended. 607. That is, the master arm 101 has a structure that surrounds the right hand 601 and is installed at such a position.
次に、第６図を手前から位置６０３に向かって見た配置
を第７図に示す。Next, FIG. 7 shows the arrangement when FIG. 6 is viewed from the front toward position 603.
マスターアーム１０１の設置位置６０３において、第６
図にのべたＸ軸方向（第７図では紙面の表裏方向）のＸ
軸装置６０５は第７図では右手６Ｑ１の上方向に設けで
ある。Ｘ軸装置６０５を中心軸６０６を中心とする回転
装置によって構成すると、手首６０７を紙面に直角の方
向（Ｘ軸方向）に移動するだけでひじ６０４は動かさず
に操作できる。もし並進装置であればひじ６０４を動か
すことになり行程が１００＋ｎｍを越すと疲れる。At the installation position 603 of the master arm 101, the sixth
X in the X-axis direction shown in the figure (in Figure 7, the front and back directions of the paper)
In FIG. 7, the shaft device 605 is provided above the right hand 6Q1. When the X-axis device 605 is configured as a rotating device centered on a central axis 606, it can be operated by simply moving the wrist 607 in a direction perpendicular to the paper (X-axis direction) without moving the elbow 604. If it were a translation device, it would require moving the elbow 604, which would be tiring if the stroke exceeds 100+ nm.
これはひじと体の間に５０ｎｎ程度のすき間があるとき
が一番楽で、１００＋ｎｍを越えると体を傾けなければ
ならない。This is easiest when there is a gap of about 50 nm between the elbow and the body; if it exceeds 100 nm, you will have to lean your body.
またＹ軸方向の動作に関係するＹ軸装置６０９はＸ軸装
置６０５と同様に右手６０１の上方向に設けである。も
しＹ軸装置６０９を中心軸６１０をもつ回転装置によっ
て構成すると手首６０７をＹ軸方向に移動するときひじ
６０４の動きは小さくてすむ。もし並進装置であれば、
行程が１２０庇位が限界となる。Further, a Y-axis device 609 related to the movement in the Y-axis direction is provided above the right hand 601 similarly to the X-axis device 605. If the Y-axis device 609 is constituted by a rotating device having a central axis 610, the movement of the elbow 604 will be small when the wrist 607 is moved in the Y-axis direction. If it is a translation device,
The maximum distance is about 120 eaves.
なお、第７図ではＸ軸装置６０５．Ｙ軸装置６０９は右
手６０１の上方向に設けたが、下方向に設けても手首６
０７の向きが変おるだろだけで操作性に大きな変化を与
えない。In addition, in FIG. 7, the X-axis device 605. The Y-axis device 609 is provided above the right hand 601, but even if it is provided below the wrist 6
The orientation of 07 will change, but it won't make a big difference to the operability.
さらに、Ｘ軸装置６０５については、７０１のような旋
回装置にしても同じ結果となる。そのときは７０２が回
転軸となる。Furthermore, regarding the X-axis device 605, even if a rotating device like 701 is used, the same result will be obtained. In that case, 702 becomes the rotation axis.
なお、第７図に示した２点鎖線のレバーは、操作トルク
を与えるための仮想のレバーであり、実際のマスターア
ーム１０１の構造は、第２図に示すように、６箇の関節
装置が支持台２０３から半端に向かって順番に取付けら
れている。Note that the lever indicated by the two-dot chain line in FIG. 7 is a virtual lever for applying operating torque, and the actual structure of the master arm 101 has six joint devices as shown in FIG. They are attached in order from the support base 203 toward one end.
第６図、第７図の検討をもとにした実施例を第８図、第
９図、第１０図、第１１図に示す。Examples based on the studies in FIGS. 6 and 7 are shown in FIGS. 8, 9, 10, and 11.
第８図は、第２図に示したマスターアーム１０１の詳細
図である。２０３は、マスターアーム１０１の支持台で
ある。８０１はマスターアーム１０１の第１軸で、８０
２の中心軸まわりにマスターアーム１０１の残りの部分
を回転できる。FIG. 8 is a detailed view of the master arm 101 shown in FIG. 2. 203 is a support stand for the master arm 101. 801 is the first axis of the master arm 101;
The remaining portion of the master arm 101 can be rotated about the central axis of the master arm 101.
８０３は第２軸で、８０４の中心軸まわりに全体を回転
できる。８０５はアームで、８０６のリンク及び８０７
のロンドに支持されて８０８の回転軸のまわりに先端部
を回転させる。８０９はピッチ軸で、８１０の中心軸ま
わりに回転できる。803 is a second axis, and the whole can be rotated around the central axis of 804. 805 is an arm, 806 link and 807
The tip is supported by the rond of 808 and rotates around the rotation axis of 808. 809 is a pitch axis that can rotate around the central axis of 810.
８１１はヨウ軸で、８１２の中心軸まわりに回転する。811 is a yaw axis, which rotates around the central axis of 812.
８１３はロール軸で、８１４の中心軸まわりに８１５の
グリップを回転できる。813 is a roll axis, which allows the grip of 815 to be rotated around the center axis of 814.
マスターアーム１０１を操作するとき、オペレータは右
手でグリップ８１５を握って第６図の位置で操作をする
。When operating the master arm 101, the operator grasps the grip 815 with his right hand and operates it in the position shown in FIG.
第６図にのべたＸ軸装置６０５は、第８図では第２軸８
０３であり、その中心軸６０６は第８図では中心軸８０
４に対応する。The X-axis device 605 shown in FIG. 6 is the second axis 8 in FIG.
03, and its central axis 606 is the central axis 80 in FIG.
Corresponds to 4.
またＹ軸方向の動作を行なうＹ軸装置６０９は。Further, there is a Y-axis device 609 that operates in the Y-axis direction.
第８図ではアーム８０５であり、その中心軸６１０は中
心軸８０８である。In FIG. 8, it is an arm 805, and its central axis 610 is a central axis 808.
Ｚ軸方向の動作は第１軸２０１を中心軸８０２のまｂり
に動かして行なう。Ｚ方向の並進装Ｅは右手６０１にと
って大変窮屈で、５０＋ａｍ程度でも体を動かす必要が
あり回転装置が望ましい。Movement in the Z-axis direction is performed by moving the first shaft 201 around the center axis 802. The Z-direction translation device E is very uncomfortable for the right hand 601, and it is necessary to move the body even at about 50+ am, so a rotation device is preferable.
第８図の全体構造は、第６図の領域６０３および視野の
外側の位置にある。The entire structure of FIG. 8 is located outside the region 603 and field of view of FIG.
ピッチ軸８０９、ヨウ軸８１１、ロール軸８１３から成
る手首も人間の手首構造との関係を考慮して設計されて
いる。人間の手首のひねりは、ひじを固定して腕の軸ま
わりに回転できるので、ロール軸８１３の中心軸８１４
は、グリップ８１５の中心を貫いてひじ６０４に一致さ
せる。The wrist consisting of a pitch axis 809, a yaw axis 811, and a roll axis 813 is also designed in consideration of the relationship with the human wrist structure. When twisting a human wrist, the elbow can be fixed and rotated around the axis of the arm, so the center axis 814 of the roll axis 813
passes through the center of the grip 815 and aligns with the elbow 604.
人間の手首の左右の振り＜ＩＩＩＡ指を上にしたまま心
臓に向かって曲げたり反対方向に曲げたりする運動）は
、腕まで固定して動作を繰返すのに適している。したが
ってヨウ軸８１１の中心軸８１２は、中心軸８１３とグ
リップ８１５より人間に近い位置で直交させて、そこに
ちょうど人間の手首関節が来るように構成しである。Swinging the human wrist from side to side (IIIA movement of bending toward the heart or in the opposite direction with the fingers facing up) is suitable for repeating movements with the arm fixed. Therefore, the center axis 812 of the yaw axis 811 is orthogonal to the center axis 813 at a position closer to the human body than the grip 815, so that the human wrist joint is located there.
人間の手首の上下の振りは、親指を上にしたままでは持
続性がない。手首をひねって親指を内側にすれば、上記
の左右の振りでのべた手首関節が上下に曲げやすい状態
になるが、手首のひねりがいつもこの状態を持続するわ
けではないのでこのような手首の上下の振り動作に期待
することはできない。The up-and-down movement of the human wrist is not sustainable if the thumb is held up. If you twist your wrist and turn your thumb inward, the wrist joint will be in a state where it will be easier to bend the wrist joint up and down. You can't expect it to swing up and down.
人間の手首による上下振り動作は、ひじの曲げを使うの
が汎用的な使い方である。したがってピッチ軸８０９の
中心軸８１０は、中心軸８１４より上（Ｚ方向）約１０
０ｍｍの所を通るようにして、人間の手首の構造に見合
うものとしである。The human wrist is commonly used to perform up-and-down swinging motions by bending the elbow. Therefore, the center axis 810 of the pitch axis 809 is approximately 10 mm above the center axis 814 (in the Z direction).
It is designed so that it passes through the 0 mm point, which corresponds to the structure of the human wrist.
第９図はマスターアーム１０１の他の実施例である。FIG. 9 shows another embodiment of the master arm 101.
９０１は支持台であり、９０２は旋回軸で９０３の中心
軸のまわりにマスターアーム全体を回転させる。９０４
は第１腕で９０５の第１軸先端部のまわりに全体を回転
させる。９０６は第２腕で、第１腕９０４の先端まわり
に回転する。901 is a support base, and 902 is a pivot shaft that rotates the entire master arm around the central axis of 903. 904
rotates the entire body around the first shaft tip of 905 using the first arm. A second arm 906 rotates around the tip of the first arm 904.
９０７はピッチ軸で、手首郡全体を前後に傾けることが
できる。９０８はヨウ軸で、ピッチ軸９０７の出力部に
支持され手首先端部を左右に揺動させる６９０９はロー
ル軸で、グリップ９１０を回転させる。Reference numeral 907 is a pitch axis that allows the entire wrist group to be tilted back and forth. Reference numeral 908 denotes a yaw axis, which is supported by the output part of the pitch axis 907 and swings the tip of the wrist from side to side. Reference numeral 6909 denotes a roll axis, which rotates the grip 910.
第９図のマスターアームを操作するときは、第８図のマ
スターアーム１０１の操作と同じくグリップ９１０を握
って第６図の位置で操作する。When operating the master arm shown in FIG. 9, grip the grip 910 and operate it in the position shown in FIG. 6 in the same way as the master arm 101 shown in FIG. 8.
第６図の関節装置６０５は、第９図で９０２゜９０３で
あり、関節装置６０９は、第９図では第２腕９０６であ
る。The articulation device 605 in FIG. 6 is 902° 903 in FIG. 9, and the articulation device 609 is the second arm 906 in FIG.
第９図の全体構造は、第６図の領域６０３および視野の
外側にある。The entire structure of FIG. 9 is outside the area 603 and field of view of FIG. 6.
ピッチ軸９０７、ヨウ軸９０８、ロール軸９０９から成
る手首は人間の手首関節との関係を考慮しであるが第８
図と同じであるので省略する。The wrist consists of a pitch axis 907, a yaw axis 908, and a roll axis 909.
Since it is the same as the figure, it is omitted.
第１０図はマスターアーム１０１の他の実施例である。FIG. 10 shows another embodiment of the master arm 101.
１００１は回転台であり、１００２は旋回軸であり、マ
スターアーム全体を垂直軸のまわりに旋回させる。１０
０３は第１腕であり、１００４は第２腕であって、それ
ぞれ垂直面内に回転運動を行なう。１０ｏ５のピッチ軸
、１００６のヨウ軸、１００７のロール軸及び１００８
のグリッパに関しては、第８図、第９図でのべた内容と
同じであるのでここに改めて記すことをしない。1001 is a rotary table, and 1002 is a pivot shaft, which pivots the entire master arm around a vertical axis. 10
03 is a first arm, and 1004 is a second arm, each of which performs rotational movement within a vertical plane. 10o5 pitch axis, 1006 yaw axis, 1007 roll axis and 1008
Regarding the gripper, it is the same as described in FIGS. 8 and 9, so it will not be described again here.
第１１図はマスターアーム１０１の他の実施例である。FIG. 11 shows another embodiment of the master arm 101.
１１０１は回転台であり、１１０２は旋回軸であり、マ
スターアーム全体を垂直軸のまわりに旋回させる。１１
０３は第１腕であり、１１０４は第２腕であって、それ
ぞれ垂直面内に回転運動を行なう。１１０５のピッチ軸
、１１０６のヨウ軸、１１０７のロール軸及び１１０８
のグリッパに関しては、第８図、第９図でのべた内容と
同じであるのでここに改めて記すことをしない。1101 is a rotary table, and 1102 is a pivot shaft, which pivots the entire master arm around a vertical axis. 11
03 is a first arm, and 1104 is a second arm, each of which performs rotational movement within a vertical plane. 1105 pitch axis, 1106 yaw axis, 1107 roll axis and 1108
Regarding the gripper, it is the same as described in FIGS. 8 and 9, so it will not be described again here.
第１０図、第１１図のマスターアームを操作するときは
、第８図のマスターアーム１０１の操作と同じく、グリ
ッパ１００８を握って第６図の位置で行なう。When operating the master arm shown in FIGS. 10 and 11, gripper 1008 is held in the position shown in FIG. 6 in the same way as the master arm 101 shown in FIG. 8 is operated.
第６図のＸ軸装置６０５については、第１０図、第１１
図の場合第７図で説明したようにＸ軸装置６０５と同じ
効果をもつ旋回軸１００２を用いである。Regarding the X-axis device 605 in FIG.
In the case shown in FIG. 7, a pivot shaft 1002 having the same effect as the X-axis device 605 is used as explained in FIG.
Ｙ軸装置６０９は第１０図では第２腕１００４である。Y-axis device 609 is second arm 1004 in FIG.
第１０図、第１１図の全体構造は、第６図、第７図の領
域６０３および視野の外部にある。The entire structure of FIGS. 10 and 11 is outside the area 603 and field of view of FIGS. 6 and 7.
第８図、第９図、第１０図、第１１図を用いて、第６図
、第７図で述べたマスターアームの具体的４＋カ造を示
したが、構造は、異なっていても基本的な考え方は変わ
るものではない。Although the specific 4+ structure of the master arm described in FIGS. 6 and 7 has been shown using FIGS. 8, 9, 10, and 11, the basic structure is That way of thinking does not change.
ただし、第９図の場合には、旋回軸９０２とロール軸９
０９の中心軸がある特別な状態（特異点）で一致する場
合が起こりうる。However, in the case of FIG. 9, the rotation axis 902 and the roll axis 9
A case may occur in which the central axes of 09 coincide in a certain special state (singularity).
このような状態では、オペレータは、旋回軸９０２とロ
ール軸９０９を使いわけることかできず操作できなくな
る。したがって第９図の構造をマスターアームに用いる
ときには、旋回軸９０２とロール軸９０９の中心軸が一
致しないようにマスターアームの運動に制約を設ける必
要がある。In such a state, the operator cannot use the rotation axis 902 and the roll axis 909 properly and cannot operate them. Therefore, when the structure shown in FIG. 9 is used for the master arm, it is necessary to impose restrictions on the movement of the master arm so that the center axes of the rotation axis 902 and the roll axis 909 do not coincide.
次にスレーブアームの構造について説明する。Next, the structure of the slave arm will be explained.
スレーブアームは、第５図を用いて説明したように、マ
スターアーム１０１の未動作にもとすいて。As explained using FIG. 5, the slave arm is also used when the master arm 101 is not in operation.
各軸の目標値が与えられることにより制御される。It is controlled by giving target values for each axis.
このような目標値演算及び制御は中央処理装置１０５で
行なわれるので、第９図でのべた特異点の問題はその点
に近づかないように制御したりあるいはその点を通過す
る場合の動作アルゴリズムを前もって用意することがで
きるので問題にならない。Since such target value calculation and control are performed by the central processing unit 105, the problem of the singular point shown in FIG. This is not a problem as it can be prepared in advance.
したがってスレーブアームは、第２図の真空室２０１の
中でのできるだけ広い範囲を動作できるよう各軸とも広
い動作角度をとる必要がある。Therefore, it is necessary for the slave arm to take a wide operating angle for each axis so that it can operate in the widest possible range within the vacuum chamber 201 in FIG. 2.
一方、真空室２０１に入れる場合を考えて折りたたみや
すい補選が望ましい。On the other hand, in consideration of the case where it is placed in the vacuum chamber 201, it is desirable to use a supplementary material that is easy to fold.
第１２図は、スレーブアームの一実施例である。FIG. 12 shows an embodiment of the slave arm.
１２ｏ１は支持台であり、１２０２は旋回軸で、支持竿
１１０１の回りに回軸することができる。12o1 is a support stand, and 1202 is a pivot shaft that can be rotated around the support rod 1101.
１２０３は第１腕で、旋回軸１２０２の先端を支点とし
て回転する。１２ｏ４は第２腕で、第１腕１２０３の１
２０５第１腕先端部のまわりに回転する。１２０６は手
首機購であり、第２腕１２ｏ４の１２０７第２腕先端部
から１２０８のピッチ軸、１２０９のヨウ軸、１２１ｏ
のロール軸が取付けら九、さらにその先端には、１２１
１のハンドが取り付けられている。A first arm 1203 rotates around the tip of the pivot shaft 1202 as a fulcrum. 12o4 is the second arm, 1 of the first arm 1203
205 Rotates around the tip of the first arm. 1206 is a wrist machine, from the tip of the second arm 1207 of the second arm 12o4 to the pitch axis of 1208, the yaw axis of 1209, and the axis of 121o.
A roll shaft of 9 is attached, and a 121
1 hand is attached.
第１腕先端部１２０５、第２腕先端部１２ｏ７ともにそ
の中心はそれぞれ第１腕１２０３の中心線および第２腕
１２０４の中心線からオフセットした装置に設けられて
いる。その理由は、第１２ＩＮ （ｂ）のように折りた
たむのに適するようになっているためである。The centers of both the first arm tip 1205 and the second arm tip 12o7 are provided in a device offset from the center line of the first arm 1203 and the center line of the second arm 1204, respectively. The reason is that it is suitable for folding as shown in 12th IN (b).
他方、スレーブアーム１０２は、広い範囲を動作させる
ためその先端であるハンドがその支持台から遠ざかるこ
とができるように配置されている。On the other hand, the slave arm 102 is arranged so that the hand at its tip can move away from its support base in order to operate over a wide range.
この点はマスターアーム１０１がある限られた領域の中
で多くの自由度を集中させて設計し、第８図のようにそ
の先端であるロール軸８１３やグリッパ８１５がその支
持台２０３に近づくように構成されているのと対照的で
ある。In this respect, the master arm 101 is designed to concentrate many degrees of freedom within a limited area, so that the roll shaft 813 and gripper 815 at its tip approach the support base 203 as shown in FIG. This is in contrast to the structure of
折りたたむのに適した方法として第１３図のように第１
腕の中心線と第２腕の中心線を平行になるよう配置する
こともできる。As shown in Figure 13, a suitable way to fold the
It is also possible to arrange the center line of the arm and the center line of the second arm to be parallel to each other.
マスターアーム１０１を限られた領域内で多くの自由度
を集中させる方法として、上記のほが第８図では、ヨウ
軸８１１とロール軸８１３との軸中心を一致させグリッ
パ８１５をその近くに配置し、かつピッチ軸８０９の軸
中心もグリッパ８０５の方向を向けて配置する方法をと
っている。As a method of concentrating many degrees of freedom in the master arm 101 within a limited area, as shown in FIG. In addition, the center of the pitch axis 809 is also arranged to face the direction of the gripper 805.
すなわちグリッパ８１５を中心として、そのまゎりに手
首を構成するピッチ軸８０９、ヨウ軸８１１、ロール８
１３を配置する形になっている。That is, with the gripper 815 as the center, the pitch axis 809, the yaw axis 811, and the roll 8 that constitute the wrist are located around the gripper 815.
13 is arranged.
また、第１軸８０１の運動は、第２軸８０３の先端まで
を一体としたアームとして回転するが、アーム８０５と
の関係は、第１２図のスレーブアームの第１アーム１２
０３及び第２アーム１２０４のように直線的になること
はできないしする必要がない。逆に、第８図の２つのア
ームの関係は、直交関係に配置され、動作方向の分担を
する構成となっておりかつ人間の手首に近くコンパクト
に構成されていてスレーブアームが動作領域の拡大を重
視するのと対照的である。Furthermore, the movement of the first shaft 801 rotates as an integrated arm up to the tip of the second shaft 803, but the relationship with the arm 805 is that of the first arm 12 of the slave arm in FIG.
03 and the second arm 1204, and there is no need to do so. On the other hand, the relationship between the two arms in Figure 8 is arranged in an orthogonal relationship and is configured to share the direction of movement, and is compact and close to the human wrist, so that the slave arm expands the range of movement. This is in contrast to focusing on
第９図、第１０図、第１１図の構成についても第８図で
のべたマスターアームの特徴を同様に有している。The configurations shown in FIGS. 9, 10, and 11 also have the features of the master arm shown in FIG. 8.
再びスレーブアームにもどってその特長を考えると、ス
レーブアームは、産業用ロボットと同じく対象物に向っ
て作業する必要から手首部分の寸法を極力小さくすべき
である。この点マスターアームでは、グリッパをオペレ
ータがつかみやすくするためにある程度の空間を必要と
し、さらにピッチ軸、ヨウ軸、ロール軸がその周辺に設
置されるために大きくなることをそれほど問題にしない
のと対照的である。Returning to the slave arm again and considering its features, the slave arm must have the wrist part as small as possible, as it needs to work toward the target, just like an industrial robot. In this respect, the master arm requires a certain amount of space to make it easier for the operator to grasp the gripper, and since the pitch, yaw, and roll axes are installed around them, it is not a big problem. It's a contrast.
しかし、スレーブアームの手首部分を小形化するために
は、人間の手首と同じくロール軸をアーム側に配置すれ
ばアームがほぼ軸対称構造であるので便利である。この
ために産業用ロボットでは、ロール軸とアームとが結合
される場合が多い。However, in order to downsize the wrist portion of the slave arm, it is convenient to arrange the roll axis on the arm side, similar to the human wrist, since the arm has a substantially axially symmetrical structure. For this reason, in industrial robots, the roll axis and arm are often coupled.
しかし、マスタースレーブマニピュレータの場合、６自
由度を一度に操作するより操作する自由度を分けて行な
う方がオペレータの操作が楽になるといえる。ロール軸
を先端にすれば、先端の位置決めを行ない、ヨウ軸、ピ
ッチ軸の方向を定めたあとで独立に動作させても他の自
由度に対する影響がでて来ない。しかし、ヨウ軸、ピッ
チ軸が先端にある場合にはそれを独立に動作させると。However, in the case of a master-slave manipulator, it can be said that it is easier for the operator to operate the six degrees of freedom separately rather than to operate the six degrees of freedom at once. If the roll axis is the tip, the other degrees of freedom will not be affected even if the tips are positioned and the directions of the yaw and pitch axes are determined and then operated independently. However, if the yaw axis and pitch axis are at the tip, they can be operated independently.
先端の位置まで変わるので操作を分けることができなく
なる。Since even the position of the tip changes, it becomes impossible to separate the operations.
したがって、スレーブアームの場合、ロール軸を先端に
置くことは、手首全体の寸法拡大の犠牲をはらっても必
要な事項といえる。Therefore, in the case of a slave arm, placing the roll axis at the tip is necessary even at the cost of increasing the size of the entire wrist.
さらに、第２図に示した真空室のように狭い床面積を有
効に活用する必要があるときは、スレーブアームを天井
量りにしたり壁掛けにする。Furthermore, when it is necessary to make effective use of a narrow floor space, such as in the vacuum chamber shown in FIG. 2, the slave arm can be mounted on a ceiling or hung on a wall.
このようなスレーブアームは、その支持台が、マスター
アームや産業用ロボットに比べ非常に小さくなっている
。これは、設置のしやすさ、運搬のしやすさから必要と
なる要件である。The support base of such a slave arm is much smaller than that of a master arm or an industrial robot. This is a necessary requirement for ease of installation and transportation.
これに対し、床に設置される産業用ロボッ）−や第１０
図のマスターアームの場合には、床に置いた場合の安定
性から床面積を大きくとり、かつ支持台の重量を大きく
とりまた人間操作に便利なように第１のアームの取付位
置が人間の腰の位置まで高くされている。In contrast, industrial robots installed on the floor
In the case of the master arm shown in the figure, the floor space is large for stability when placed on the floor, the weight of the support base is large, and the mounting position of the first arm is set so that it is convenient for human operation. It is raised to the waist level.
以上、種々のべて来たごとく、マスターアームとスレー
ブアームとをそれぞれの目的に合うように異構造とした
ときにも、異形マスタースレーブシステムとしての最適
な構成がなされなければならない。As mentioned above, even when the master arm and slave arm have different structures to suit their respective purposes, an optimal configuration as a different-shaped master-slave system must be achieved.
これは、別々の目的に沿った構造を単純に制御的にだけ
組合せ九ば良いのでない点を特に指摘しておきたい。I would like to particularly point out that this is not just a matter of simply combining structures that serve different purposes for control purposes.
以上述べて来たように、本発明により、マスターアーム
は、スレーブを人間が操作するのに適する構造を備え、
腕を大きく振りまわすことなく手首を中心とした動きで
大形のスレーブアームでも容易に動作させることができ
る。また、スレーブアームは、その長手方向寸法を有効
に動作させて、必要に応じ支持台から最も怠れた物品の
ハンドリングができ、かつその長手方向寸法が運搬に支
障のないよう収納性を良くすることができる。As described above, according to the present invention, the master arm has a structure suitable for human operation of the slave,
Even a large slave arm can be easily operated by moving around the wrist without swinging the arm around a lot. In addition, the slave arm should be able to effectively operate its longitudinal dimension to handle the most neglected items from the support stand as needed, and its longitudinal dimension should have good storage properties so that it does not hinder transportation. Can be done.
さらに本発明によれば、人間の操作に適した構造のマス
ターアームと限られたアーム長を有効に生かすためマス
ターアームと異なる構造のスレーブアームによって広範
囲の動作ができかつ操作に適したマスタースレーブシス
テムを構成することができる。Furthermore, according to the present invention, a master-slave system that can perform a wide range of movements and is suitable for operation is provided by a master arm having a structure suitable for human operation and a slave arm having a structure different from that of the master arm in order to make effective use of the limited arm length. can be configured.
上にのべた操作に適する構造には、人間の身体構造に即
する構造、人間の視野を妨げない構造、軽い動作で動か
せるようそれぞれの関節が人間の身体に近く、コンパク
トに配置されることが含まれている。A structure suitable for the operations described above includes a structure that conforms to the human body structure, a structure that does not obstruct the human's field of vision, and a structure in which each joint is placed close to the human body and compactly so that it can be moved with light movements. include.
要約すると本発明は、マスタースレーブシステムを構造
的、制約的にシステムとして構成することにより、従来
にない操作性が高くまた設置、運搬の容易なシステムを
提供することができる。In summary, the present invention can provide a system that has unprecedented operability and is easy to install and transport by configuring the master-slave system as a system with structural constraints.
第１図は本発明の一実施例による異形マスタースレーブ
マニピュレータシステムのブロック図、第２図は本シス
テムの全体植成例、第３図は回転角検知回路、第４図は
中央処理装置の具体的構成例、第５図は本発明の詳細な
説明図、第６図は人間とマスターアームの位置関係説明
の上面図、る。
符号の説明
１０１・・・マスターアーム、
１０２・スレーブアーム、
１０５・・中央処理装置、
２０３・支持台、
８０９・・・ピッチ軸、
８１３・・ロール軸。
２０２・・・作業対象物、
６０１・・右手、
８１１・・・ヨウ軸、
第
図
第
図
第
畠Fig. 1 is a block diagram of an irregularly shaped master-slave manipulator system according to an embodiment of the present invention, Fig. 2 is an example of the overall construction of this system, Fig. 3 is a rotation angle detection circuit, and Fig. 4 is a specific example of the central processing unit. FIG. 5 is a detailed explanatory diagram of the present invention, and FIG. 6 is a top view illustrating the positional relationship between the human and the master arm. Explanation of symbols 101... Master arm, 102... Slave arm, 105... Central processing unit, 203... Support stand, 809... Pitch axis, 813... Roll axis. 202... Work object, 601... Right hand, 811... Yaw axis, Figure Figure Figure Hatata
Claims (1)
ーブアームとによって構成されるマスタースレーブマニ
ピュレータシステムにおいて、マスターアームの手首は
、グリップの周辺に一定値以上のＸ、Ｙ、Ｚ方向の空間
寸法を設けるべくピッチ軸、ヨウ軸、ロール軸が上記一
定値の外周に配置され、かつそれぞれの出力軸の方向が
グリップに向うよう構成されてアーム本体に接続され、
スレーブアーム手首は、ピッチ軸、ヨウ軸、ロール軸が
３軸全体として別の一定値以下のＸ、Ｙ、Ｚ寸法になる
ように該３軸の間の連結部在を短縮しかつ出力軸の方向
かそれぞれの軸の取付部から遠ざけるように接続したこ
とを特徴とするマスタースレーブマニピュレータシステ
ム。 ２、請求項１記載のマスタースレーブマニピュレータシ
ステムにおいて、マスターアームのロール軸の支持部は
、アーム本体側の軸端より離れて配置され、該ロール軸
の出力軸は、該アーム本体側軸端に近づくように方向付
けられていることを特徴とするマスタースレーブマニピ
ュレータシステム。 ３、請求項１記載のマスタースレーブマニピュレータシ
ステムにおいて、ヨウ軸の支持部は、アーム本体側の軸
端に対し直角方向に離して配置され、該ヨウ軸の出力軸
は該アーム本体側軸端に近づくように方向付けられてい
ることを特徴とするマスタースレーブマニピュレータシ
ステム。 ４、請求項１記載のマスタースレーブマニピュレータシ
ステムにおいて、ピッチ軸の支持部は、アーム本体側の
軸端に対し離れるよう配置され、該ピッチ軸の出力軸は
該アーム本体側軸端に近づくよう方向付けられているこ
とを特徴とするマスタースレーブマニピュレータシステ
ム。 ５、６軸以上のマスターアームと６軸以上の関節形スレ
ーブアームとによって構成されたマスタースレーブマニ
ピュレータシステムにおいて、スレーブアームは、本体
３軸がそれぞれの関節の長手方向を直線的に配列するこ
とができかつアームの関節の長手方向を平行させてアー
ム全体としての寸法が小さく配列することで移動領域の
拡大ができるように構成され、またそれぞれの軸の動作
角度は少なくとも１８０°以上であり、マスターアーム
は、本体の３軸の長手方向が互に直交的に配列できるよ
うに構成して、マスターアームの基部から本体３軸の軸
端までのＸ、Ｙ、Ｚ方向の寸法がいずれの方向に対して
も一定値より大きくならないようにしかつ各軸の移動領
域が小さくなるよう少なくとも構造的および制御的のい
づれか一方を構成したマスタースレーブマニピュレータ
システム。 ６、請求項５記載のマスタースレーブマニピュレータシ
ステムにおいて、マスターアームを関節形にして、本体
３軸の長手方向が互に直交的に配列できるように構成し
て、マスターアームの基部から本体３軸の軸端までのＸ
、Ｙ、Ｚ方向の寸法がいずれの方向に対しても一定値よ
り大きくならないようにし、かつ各軸の移動角度を小さ
くしても本体３軸の軸端の移動寸法はＸ、Ｙ、Ｚ方向と
も別の一定値より大きくできることを特徴とするマスタ
ースレーブマニピュレータシステム。[Claims] 1. In a master-slave manipulator system composed of a master arm with 6 or more axes and an articulated slave arm with 6 or more axes, the wrist of the master arm has an X of more than a certain value around the grip, A pitch axis, a yaw axis, and a roll axis are arranged on the outer periphery of the constant value to provide spatial dimensions in the Y and Z directions, and the output axis of each is configured to face the grip and connected to the arm body,
The slave arm wrist shortens the connecting part between the pitch axis, yaw axis, and roll axis so that the X, Y, and Z dimensions of the three axes as a whole are less than another certain value, and the output axis A master-slave manipulator system characterized in that the master-slave manipulator system is connected in either direction or away from the mounting portion of each shaft. 2. In the master-slave manipulator system according to claim 1, the support portion of the roll shaft of the master arm is arranged at a distance from the shaft end on the arm main body side, and the output shaft of the roll shaft is arranged at the shaft end on the arm main body side. A master-slave manipulator system characterized in that it is oriented to approach. 3. In the master-slave manipulator system according to claim 1, the support portion of the yaw shaft is disposed apart from the shaft end on the arm main body side in a perpendicular direction, and the output shaft of the yaw shaft is arranged at the shaft end on the arm main body side. A master-slave manipulator system characterized in that it is oriented to approach. 4. In the master-slave manipulator system according to claim 1, the supporting part of the pitch shaft is arranged to be apart from the shaft end on the arm main body side, and the output shaft of the pitch shaft is oriented in a direction so as to approach the shaft end on the arm main body side. A master-slave manipulator system. 5. In a master-slave manipulator system composed of a master arm with six or more axes and an articulated slave arm with six or more axes, the three axes of the main body of the slave arm can be arranged linearly in the longitudinal direction of each joint. The arm joints are arranged in parallel in the longitudinal direction so that the arm as a whole has a small dimension, thereby expanding the range of movement, and the operating angle of each axis is at least 180°. The arms are configured so that the longitudinal directions of the three axes of the main body are arranged orthogonally to each other, and the dimensions in the X, Y, and Z directions from the base of the master arm to the ends of the three axes of the main body are arranged in any direction. A master-slave manipulator system having at least one of the structural and control aspects configured so that the movement area of each axis is made small so that the movement area of each axis does not exceed a certain value. 6. The master-slave manipulator system according to claim 5, wherein the master arm is articulated so that the longitudinal directions of the three axes of the main body can be arranged orthogonally to each other, and the three axes of the main body are connected from the base of the master arm. X to shaft end
, Y, and Z directions do not exceed a certain value in any direction, and even if the movement angle of each axis is made small, the movement dimensions of the axial ends of the three axes of the main body will remain in the X, Y, and Z directions. A master-slave manipulator system characterized in that both can be made larger than another fixed value.
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ID=26545088
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