JPH02218566A - 操作形マニピュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】

この発明は、カフィードバック機能を有するマニピュレ
ータであって、とくに操作側からの指令信号と***作側
の動作との間にむだ時間や応答遅れによる遅れがあると
き、この遅れに起因する操作性の悪化を防止するように
した操作形マニピュレータに関する。

【従来の技術】

原子力、海洋、宇宙空間など人の存在を許さない、ある
いは大きな危険を伴う雰囲気における作業が近年とくに
必要となっており、このためスレーブ・マニピュレータ
を上記の環境に耐え、かつ目的とする作業に適した形状
１寸法に作ると共に、オペレータは遠隔の安全な場所か
ら工業用テレビなどの情報をもとに、これらスレーブ・
マニピュレータを操作する方法がとられている。 この場合、スレーブ側と相似の同形マスク・マニピュレ
ータを操作するためのマスク・スレーブ・マニピュレー
タや、単純な機能で構成するジョイスティックなどが作
られている。特に計算機の発達に伴ない、作業対象に対
して指令のしやすい異形のマスク・マユビニレータを操
作器として使う研究も多くなっている。しかも、作業性
をより良くするために、スレーブ側に作用する力を検出
し、それをマスク側あるいは操作器側に、サーボモータ
などを介して一定比率の力としてフィードバックするパ
イラテラル制御を適用する例が多くなって来ている。

【発明が解決しようとする課題】

この種の操作形マニピュレータでは、オペレータが操作
指令する操作器の動きに応じて作業用のスレーブ・マニ
ピュレータが動作するが、一般にこの間に遅れを生じる
。以下、操作器がマスク・マニピュレータである場合に
ついて具体的に説明する。同形マスク・スレーブ・マニ
ピュレータでは、マスク側の各軸に設けられたポテンシ
ョメータあるいはエンコーダにより、マスクの動きを検
出し、これを指令値としてスレーブ側の各軸の位置決め
制御を行う。この場合、マスク側とスレーブ側が離れて
いるときには信号伝送のために遅れが生じる。この信号
伝送がシリアル伝送のときには、信号量が大きくなれば
それに応じて遅れは大きくなる。また、距離が離れれば
その伝送速度が光速といえども遅れは無視できな、くな
る。例えば、火星に軟着陸させたロボットの操作などで
は遅れが極めて大きくなる。また、マスク側がスレーブ
側と同形でない異形マスク・マニピュレータの操作では
、座標変換の計算が必要となり、この分の遅れがさらに
生じる。 以上と異なり遅れのない場合、例えばアナログ制御の同
形マスク・スレーブ・マニピュレータが比較的近距離で
使われる場合でも、スレーブ側の慣性による遅れは物理
的に必ず生じることになり、しかもこれはスレーブ自体
の重量、負荷重量が大きければ無視できなくなる。 またパイラテラレ形の操作形マニピュレータでは、スレ
ーブ側の力の大きさに応じてマスク側が力制御されるが
、上記と同様に伝送遅れがある。 例えばスレーブ側の手首に力センサを有する場合には、
マスク側の各軸のモータの力制御を行うための座標計算
が必要であり、特にスレーブ・マニピュレータの位置、
姿勢によって重力補償を行う場合には、そのための計算
時間も必要となる。マスク側は比較的軽量に作られるが
、オペレータに力を伝達するためにはマスク・マニピュ
レータの遊隙分および撓み分は動作する必要があるから
、このとき慣性による遅れも当然生じることになる。 このように、マスク、スレーブ間の両方向にそれぞれ遅
れが生じることになる。カフィードバックのないユニラ
テラル制御では、単に応答の遅れという感じの問題だけ
ですむが、パイラテラル制御のマスク、スレーブ間の遅
れは操作性の悪化という問題を生じる。 次に、この操作性の悪化について第２図（Ｃ）、　（ｄ
）を参照しながら詳しく説明する。 第２図（Ｃ）、　（ｄ）はマスク、スレーブ間にむだ時
間や応答遅れがある場合の従来のマニピュレータの速度
１位置特性を示し、それぞれ速度Ｖ１位置Ｓの時間的変
化図である。°すなわち、同図（Ｃ）において、オペレ
ータがマスクを実線表示のステップ状に操作し、その速
度信号Ｖｍを零から一定値Ｖｉに変化させたとする。こ
のとき、スレーブの動きの速度Ｖｓはむだ時間Ｔｏ後に
零から破線表示の曲線のように上昇して一定値Ｖｉに達
する。二の応答遅れの時定数に対応する時間をＴｃとす
る。 なお、時間Ｔｃの意味と求め方については後述する。前
記に対応する位置関係は、マスクの位置を５Ｉ１１、ス
レーブの位置をＳｓとすると、同図（ｄ）のように示さ
れる。従って、スレーブが移動してＢ点（位置Ｓｂ）で
何かに衝突して拘束されたとすると、この時点でスレー
ブ側の力センサがはじめて力の変化を検出する。スレー
ブ１マスタ間の遅れがないとすると、直ちにこの力の変
化分はマスク側に伝えられる。しかし、マスクはすでに
Ａ点（位置Ｓａ）まで移動しているため、スレーブが０
点（位置Ｓａ）に移動するように各軸のモータが回転を
つづける。この変位分（Ｓａ　−３ｂ）にスレーブ、衝
突物体間の相互的弾性率をかけた値に相当する力がマス
ク側にフィードバックされるこ七になる。 ところで、前記の時間Ｔｃについて第４図を参照しなが
ら詳しく説明する。第４図において、横軸に時間Ｔ、縦
軸に速度■がとられ、いまマスクの操作を、その速度信
号が一点鎖線のように時刻０にステップ状に２■ｉまで
立ち上がり、その値を時間Ｔｄまで持続した後に再びス
テップ状にＶｉまで下がり以後Ｖｉを持続するようにし
たとする。そのとき、スレーブの動きの速度が実線のよ
うに変化するとし、この変化の曲線Ｕと、Ｔ。 Ｖ各軸と、Ｖ＝Ｖｊの横線とで囲まれる面積（縦線ハツ
チング部分）が、曲線Ｕの横線Ｖ＝Ｖｉ以上の面積（横
線ハツチング部分）と等しくなるように、時間Ｔｄが選
択されるものとする。この時間Ｔｄが Ｔｄ　＝Ｔｏ　−）−Ｔｃ になる。言いかえれば、応答遅れの時定数に対応する時
間Ｔｃは、Ｔｄ−Ｔｏである。なお、時間Ｔｄはこのマ
スク・スレーブ・マニピュレータの予備稼働（実験）に
よって求めることができる。 一般に、スレーブ・マニピュレータは産業用ロボットな
どに比べて絶対位置の精度をそれほど必要としないこと
もあって、剛性率を下げる工夫がされている。例えば、
油圧アクチュエータに洩れを設けたり、スレーブの位置
制御系のゲインを小さくしたりする。しかし、このよう
な対策をしても、スレーブの変位速度が大きいと、オペ
レータへの力のフィードバックが急峻と、なり、衝撃的
に力が帰還されることになって、オペレータは思わず手
を動してします。したがって、マスクの位置も変化し、
スレーブも戻されることになる。このような位置変化が
象、であるほど、マスク・スレーブ・マニピュレータは
オペレータの意図に反した動きをしたことになり、操作
性が極めて悪化したことを意味する。別の見方をすれば
、マスク側を動かして、スレーブ側がある外界物体ない
し作業対象物と軽く接触した点を力感覚で検出して、そ
の位置で停止させようとしても、この操作が不可能なこ
とになる。また、そのため極端に操作速度を下げたとし
ても、そのような微小移動は、機構上の遊隙などの影響
も効いてきて操作が非常にむずかしくなってしまう。 本発明は、マスク・スレーブ・マニピュレータのパイラ
テラル制御において、スレーブ側の慣性の影響が問題に
なる場合や、ジョイステイ・ツク。 異形マスクによって垂直６軸多関節形のスレーブを操作
するための座標変換の計算遅れがさらに加わる場合で、
しかもスレーブの手首に３軸の力センサを有し、ジョイ
スティックや異形マスクがこれら３軸と単純に対応する
ためカフィードバック系には複雑な計算を要しない場合
などのように、マスクとスレーブのむだ時間や応答など
の遅れは問題になるが、スレーブ、マスク間の遅れは無
視できる場合についての操作性の改良を課題とする。 つまり、伝送の遅れなどマスク、スレーブ間のみに遅れ
のある場合は本発明の対象外とする。 この発明の課題は、従来の技術がもつ以上の問題点を解
消し、操作側からの指令信号と***作側の動作との間に
むだ時間や応答遅れによる遅れがあるとき、この遅れに
起因する操作性の悪化を防止するようにした操作形マニ
ピュレータを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

この課題を解決するために、本発明に係る操作形マニピ
ュレータは、 カフィードハック機能を有するマニピュレータにおいて
、 このマニピュレータの操作側と***作側との間に介在し
、前記操作側からの指令信号と前記***作側の動作との
間の遅れに関するむだ時間がして応答遅れの時定数に対
応する時間がＴのとき、前記指令信号を入力してその速
度に係る値が変化するごとにその各変化の開始時点から
時間（Ｌ−１−Ｔ）の間だけは前記各開始時点での前記
値の変化分の２倍とし、前記時間（Ｌ＋Ｔ）の後は前記
値の変化分のままとするとともに、これらを時間の経過
とともに加算して出力する補償部を備える。

【作　用】

操作側と***作側との間に介在する補償部によって、指
令信号の速度に係る値が変化するごとにその各変化の開
始時点から時間（Ｌ＋Ｔ）の間だけは各開始時点での指
令信号の速度に係る値の変化分の２倍がとられ、時間（
Ｌ＋Ｔ）の後は指令信号の速度に係る値の変化分がその
ままとられるとともに、これらが時間の経過とともに加
算されて出力され、その結果、***作側のマニピュレー
タの遅れ動作が補償される。

【実施例】

第１図は本発明に係る操作形マニピュレータの実施例と
しての１軸マスタ・スレーブ・マニピュレータの構成と
信号伝達の関係とを示すブロック図である。第１図にお
いて、オペレータがマスク・マニピュレータ１のグリッ
プ６を握ってアーム５を操作すると、その動きがエンコ
ーダ３によって検出され、この検出信号がマスク側の位
置指令信号として出力される。８は遅れ要素であり、マ
スク側とスレーブ側とが離れている場合に重要となる信
号伝達時間や、異形マスク・スレーブ・マニピュレータ
やジョイスティック形操作器の場合などにおける主に座
標変換の計算に要する時間が含まれる。マスク側からの
位置指令信号に応じてスレーブ・マニピュレータ９の位
置決め制御が行われる。速度指令形のジョイステ什、り
の場合も、速度指令信号が時間積分されると位置が指令
されたことに等しい。 遅れ要素８の後段に設けられ詳しくは後述する補償回路
１７の出力（遅れを補償するための指令信号）と、スレ
ーブ側のモータ１０に、直結したエンコーダ１１の出力
との偏差に応じて、コントローラ１５によってモータ１
０が駆動される。このとき、スレーブ側のアーム１３や
負荷１４が障害物と当接すると、その力ないしトルクの
大きさをトルクセンサ１２が検出する。なお、トルクセ
ンサ１２の代りに力センサをアーム１３の先端部に設け
る場合もある。さて、この力ないしトルクの大きさに応
じてマスク側の力制御が行なわれるが、この場合も座標
変換などの計算時間や信号伝送時間などの遅れ要素１６
が考えられる。 マスク側にもトルクセンサ４が設けられており、その出
力と、遅れ要素１６の出力との偏差に応じて、コントロ
ーラ７によりモータ２の駆動電流が制御されることによ
ってトルク制御が行われ、その結果、グリップ６を握る
オペレータに力がフィードバックされる。このようなカ
フィードバックのパイラテラル制御には、第１図の方式
の外にもトルクセンサなしに力制御を行う力逆送形など
種々の方式がある。 遅れ要素８．Ｉ６について言えば、例えば２Ｍの３軸ジ
ョイステインク形操作器により垂直形６軸スレーブ・マ
ニピュレータの位置と姿勢を操作する方式では、操作器
とスレーブ側が近ければ信号伝達の遅れは無視できるが
、位置指令信号については座標計算が必要となるため、
一方の遅れ要素８は考慮する必要がある。しかし、スレ
ーブ・マニピュレータ９の手錠部に３軸カセンサを設け
て３軸ジョイスティック形操作器の３軸位置決め系に応
答させた場合は、他方の遅れ要素１６はほとんど無視す
ることができる。スレーブ側の慣性はその作業に合わせ
て大きくなり、かつ位置決め系であるからその応答の遅
れはかなり大きくなるため、前記の補償回路１７はどう
しても必要になる。なお、マスク側の力制御系はもとも
と慣性が小さいから、機構上の遊隙や撓みが小さければ
応答の遅れはほとんど無視できる。 さて、補償回路１７の作用につい、て第２図を参照しな
がら詳しく説明する。第１図に示した操作形マニピュレ
ータはマスク・スレーブ・マニピュレータであるから、
マスク側の指令ちよ位置指令であり、第２図（ｂ）、　
（ｄ）に示すように、時間Ｔに比例する実線表示された
Ｓｍの形をとるものとする。したがって、補償回路１７
では、その入力である位置指令Ｓｍが時間について微分
され、その値Ｖｍ（第２図（Ｃ）参照）が求められ、次
に以下のような演算がおこなわれる。 いま値Ｖｍは、時刻Ｔ＝０でステップ状に零からＶｉに
変化するから、この変化開始時点から時間（Ｔｏ　十Ｔ
ｃ）の間は、この特許における「速度に係る値の変化分
の２倍」つまり２Ｖｉで、時間（Ｔｏ　＋Ｔｃ）の後は
変化分のままのＶｉになるように補償回路１７によって
演算される。ここで、Ｔｏはむだ時間、Ｔｃは応答遅れ
の時定数に対応する時間で、従来例におけるのと同じで
ある。この演算結果は第２図（ａ）の−点鎖線表示され
たＶｅである。さらに、このＶｅが時間について積分さ
れて、第２図（ｂ）の−点鎖線表示されたＳｅになり、
二のＳｅが最終的に補償回路１７からスレーブ側への修
正された位置指令として出力される。以上の一連の演算
が補償回路１７でおこなわれるわけである。 そして、このＳｅによって、むだ時間、応答遅れによる
遅れがあっても、スレーブの位置は第２図（ｂ）の破線
表示されたＳｓのように変化し、結果的に初期のある時
間経過後には最初の位置指令Ｓｍの通りに動作する。す
なわち、スレーブ側のもつ、むだ時間、応答遅れによる
遅れが補償されたことになる。 また、第１図の操作形マニピュレータのときと異なり、
操作側がジョイスティック形の操作器の場合には、指令
は速度指令の形をとるため、補償回路の構成１作用も異
なってくる。すなわち、速度指令値が第２図（Ｃ）のＶ
ｍのように、時刻Ｔ＝０で零からステップ状に変化して
以後、値Ｖｉを持続するものとすると、この値Ｖｉを入
力して補償回路では、先程の位置指令方式のときと同様
に、第２図（ａ）のＶｅが演算され、出力される。この
Ｖｅによるスレーブの動作速度は、むだ時間、応答遅れ
による遅れによって、第２図（ａ）のＶｓのようになる
。その結果、スレーブの位置は、Ｖｓを時間について積
分して第２図［有］）のＳｓで示される。つまり、Ｓｓ
はむだ時間Ｔｏの後に、初期にＶｓの変化値２Ｖｉに基
づいて急速に上昇し、その後に値Ｖｉに基づいて上昇度
合が緩慢になり、操作側の位置指令Ｓｍの通りに動作す
る。すなわち先程の位置指令におけると同様に、スレー
ブ側のもつ、むだ時間、応答遅れによる遅れが補償され
たことになる。 ところで前記の説明では、マスク側からの速度指令信号
は、第２図（Ｃ）に示すように、ステップ状に変化する
とした。この速度指令信号が、一般にある曲線状に変化
する場合について、第３図を参照しながら説明する。第
３図は速度指令信号が曲線状に変化する場合の遅れを補
償するための各種信号のタイムチャートである。 第３図（ａ）は速度指令信号Ｖｇｍのタイムチャートで
、このＶｇｍはそれが微小な時間幅ΔＴで分割され、時
間的にずれて積み重ねられた多数のステップ状部分の合
成されたものとして示しである。各ステップの高さに相
当する信号の変化値は、下から順にΔＶｌ、Δｖ２．Δ
Ｖ３．・・・、Δ■ｊ、・・・である。 第３図（ｂ）は、最初のステップ状の速度指令信号の変
化値であるΔＶｌについて、第２図（Ｃ）におけるＶｍ
から同図（ａ）におけるＶｅを求めたと同様な演算をし
た結果を示す。すなわち、変化の開始時点ΔＴから時間
（Ｔｏ−＋−Ｔｃ）の間は２Δ■１を、それ以後はΔ■
１をとる。以下同様に、各要素信号ΔＶ２．ΔＶ３．Δ
Ｖｊについての演算結果が同図（ｂ）〜（ｅ）に示され
る。この各演算結果が時間の経過とともに加算され、総
合的な演算結果である同図げ）の−点鎖線表示の補償用
指令信号Ｖｅｍがスレーブ側へ出力される。

【発明の効果】

したがって、この発明によれば、操作側からの指令信号
と***作側の動作との間にむだ時間や応答遅れによる遅
れがあっても、補償部の出力によって、***作側のマニ
ピュレータの遅れ動作が補償される。その結果、***作
側のマニピュレータが障害物ないし作業対象物に当接し
た瞬間にその当接力が操作側に伝達され、この伝達され
た当接力による微妙な力感覚に基づいて***作側マニピ
ュレータを操作することができるから、指令信号のむだ
時間や応答遅れによる遅れに起因する操作性の悪化をほ
ぼ完全に防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る実施例の構成と信号伝達の関係を
示すブロンク図、 第２図は各補値のタイムチャートで、同図（ａ）は実施
例での値Ｖｅ、Ｖｓのそれ、同図（ｂ）は実施例での値
Ｓｍ、Ｓｅ、Ｓｓのそれ、同図（Ｃ）は実施例、従来例
での共通な値Ｖｍ、Ｖｓのそれ、同図（ｄ）は従来例で
の値Ｓｍ、Ｓｓのそれ、 第３図は別の指令信号とそれに関連する各種信号のタイ
ムチャートで、同図（ａ）は別の指令信号のそれ、同図
（ｂ）〜（ｅ）は分解された各要素信号のそれ、同図（
ｆ）は補償用指令信号のそれ、 第４図は応答遅れの時定数に対応する時間の説明図であ
る。 符号説明 ■ ：マスタ・マニピュレータ、 ニスレープ・マニピュレータ、 １７：補償回路。 （ａ） （Ｃ） 第２０ （ｂ） 晃１閲

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １）力フィードバック機能を有するマニピュレータにお
   いて、このマニピュレータの操作側と***作側との間に
   介在し、前記操作側からの指令信号と前記***作側の動
   作との間の遅れに関するむだ時間がＬで応答遅れの時定
   数に対応する時間がＴのとき、前記指令信号を入力して
   その速度に係る値が変化するごとにその各変化の開始時
   点から時間（Ｌ＋Ｔ）の間だけは前記各開始時点での前
   記値の変化分の２倍とし、前記時間（Ｌ＋Ｔ）の後は前
   記値の変化分のままとするとともに、これらを時間の経
   過とともに加算して出力する補償部を備えたことを特徴
   とする操作形マニピュレータ。