JPH0442144B2 - - Google Patents
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- JPH0442144B2 JPH0442144B2 JP60092800A JP9280085A JPH0442144B2 JP H0442144 B2 JPH0442144 B2 JP H0442144B2 JP 60092800 A JP60092800 A JP 60092800A JP 9280085 A JP9280085 A JP 9280085A JP H0442144 B2 JPH0442144 B2 JP H0442144B2
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Description
【発明の詳細な説明】
〈産業上の利用分野〉
本発明は、マスタ腕の操作により、基本的には
その動きに追従させてスレーブ腕を遠隔制御する
ためのマスタ・スレーブ・マニピユレータにおけ
る改良に関する。[Detailed Description of the Invention] <Industrial Application Field> The present invention relates to an improvement in a master-slave manipulator for remotely controlling a slave arm by operating the master arm and basically following the movement of the master arm. .
〈従来の技術〉
マスタ・スレーブ・マニピユレータとは、マス
タ腕ないし主腕を操作者が動かすことにより、当
該動きに対応、追従させるように、空間的に別途
な位置に設けたスレーブ腕ないし従腕の動きを遠
隔制御する（こうした制御モードを追従型制御と
呼ぶ）もので、そのため、宇宙、海中、原子力発
電炉関係内などのように、人間が立ち入ることが
困難か不可能な環境空間内での直観的な作業手段
として、将来的にも大いなる期待が寄せられてい
る。<Prior Art> A master-slave manipulator is a slave arm or follower arm provided at a spatially separate position so that when the operator moves the master arm or main arm, the operator can respond to and follow the movement of the master arm or main arm. (This control mode is called follow-up control). Therefore, it is possible to remotely control the movement of There are great expectations for the future as an intuitive work tool.
こうしたマスタ・スレーブ・マニピユレータの
最も基本的な構成を挙げれば、それは第４図に示
されるようなものとなる。 The most basic configuration of such a master-slave manipulator is as shown in FIG.
すなわち、マスタ腕１、スレーブ腕１４が共に
例えば多関節型のものである場合、上記追従型の
制御形態を最も簡単に実現するための常套手段と
して、それぞれの各関節に対応する各運動自由度
に応じ、それら各々を専用に制御する複数のサー
ボ装置群１５−１，１５−２，…，１５−ｉ，
…，１５−ｎを用いたサーボ系１５を構成するも
のである。 That is, when both the master arm 1 and the slave arm 14 are multi-jointed, for example, each degree of freedom of movement corresponding to each joint is a common method to most easily realize the follow-up type control mode. A plurality of servo device groups 15-1, 15-2, ..., 15-i, which control each of them exclusively according to the
..., 15-n constitutes the servo system 15.
しかし、このような基本構成のままのマスタ・
スレーブ・マニピユレータでは、マスタ腕１とス
レーブ腕１４間の動きにタイム・ラグがある場
合、つまりサーボ系１５を介しての信号伝達に時
間的な遅延がある場合、それがある程度以上に大
きなものとなると、直観的な作業を阻害するか、
極めて難しくする問題を生じていた。 However, with this basic configuration, the master
In the slave manipulator, if there is a time lag in the movement between the master arm 1 and the slave arm 14, that is, if there is a time delay in signal transmission via the servo system 15, this may be larger than a certain level. This may hinder intuitive work, or
This created problems that made it extremely difficult.
マスタ腕１を動かした後のスレーブ腕１４の動
きが予測できないため、操作者はどうしても、マ
スタ腕を少しづつ動かしては固定し、スレーブ腕
の動きを待つという作業を繰返し強いられるよう
になり、ために作業能率が低下し、操作者自身も
姿勢の維持に疲労するからである。 Since the movement of the slave arm 14 after moving the master arm 1 cannot be predicted, the operator is forced to repeatedly move the master arm little by little, then fix it, and then wait for the slave arm to move. This is because work efficiency decreases and the operator himself becomes tired from maintaining his posture.
そこで従来からも、仕事の内容や状況に応じて
は、追従型制御に代えて、他の制御方式、例えば
比率制御や増分型制御を取り入れようとする試み
があつた。 Therefore, there have been attempts to replace follow-up control with other control methods, such as ratio control or incremental control, depending on the content and situation of the job.
比率制御とは、スレーブ腕の各自由度に対し、
作動指令入力が与えられている間、対応する自由
度の値が一定の速さで変化（増減）するように制
御するものを言い、また、増分型制御とは、スレ
ーブ腕の各自由度に対し、作動指令入力が与えら
れるたびに、ある一定の量だけ、対応する自由度
の値が変化（増減）するように制御するものを言
う。 Ratio control means that for each degree of freedom of the slave arm,
Incremental control refers to control in which the value of the corresponding degree of freedom changes (increases or decreases) at a constant speed while an operation command input is given. On the other hand, it refers to something that is controlled so that the value of the corresponding degree of freedom changes (increases or decreases) by a certain amount every time an actuation command input is given.
こうした比率制御や増分型制御を取り入れた従
来のマスタ・スレーブ・マニピユレータは、第５
図に示されている。 Conventional master-slave manipulators that incorporate such ratio control and incremental control are
As shown in the figure.
第４図中にて用いた符号に対応する符号はこの
第５図中でも同一の構成子を示しているが、サー
ボ系１５内の各サーボ装置１５−１〜１５−ｎと
マスタ腕１との間にはサーボ指令値切り換え回路
１６−１〜１６−ｎが挿入され、比率制御や増分
型制御が必要となつたときには、この切り換え回
路を操作し、マスタ腕１とスレーブ腕１４との関
係を切離した上で、比率制御指令入力装置１２か
増分型制御指令入力装置１３のいづれか一つを択
一的に選び、それらから専用のサーボ指令値を得
るようになつている。 The symbols corresponding to the symbols used in FIG. 4 indicate the same components in FIG. Servo command value switching circuits 16-1 to 16-n are inserted between them, and when ratio control or incremental control is required, this switching circuit is operated to change the relationship between master arm 1 and slave arm 14. After separation, either the ratio control command input device 12 or the incremental control command input device 13 is selectively selected, and a dedicated servo command value is obtained from them.
〈発明が解決しようとする問題点〉
第５図に示された従来例は、確かに第４図に示
された従来例に関する限り、一つの改良とはなつ
ている。しかしいづれの場合も、また別の観点に
立つと、なお共通する欠点を有していた。<Problems to be Solved by the Invention> The conventional example shown in FIG. 5 is certainly an improvement as far as the conventional example shown in FIG. 4 is concerned. However, in each case, from a different perspective, they still had common drawbacks.
例えばマスタ・スレーブ・マニピユレータの一
つの形態として、マスタ腕とスレーブ腕とが互い
に異なる機構で構成されているような場合、すな
わち機構系として各構成子同志が寸法も含め、一
対一の対応関係になく、したがつて、マスタ腕の
可動範囲とスレーブ腕の可動範囲との間に食い違
いがあるような場合も考えられるが、こうした場
合、第４，５図に示されるような従来のマスタ・
スレーブ・マニピユレータでは、スレーブ腕の作
業可能範囲は当該スレーブ腕のそれとマスタ腕の
それとの積集合となり、十分に広い作業範囲を取
ることができない。 For example, in one form of a master-slave manipulator, the master arm and slave arm are configured with different mechanisms, that is, each component of the mechanical system has a one-to-one correspondence, including dimensions. Therefore, there may be cases where there is a discrepancy between the range of motion of the master arm and the range of motion of the slave arm.
In a slave manipulator, the workable range of the slave arm is the product of the slave arm and the master arm, and a sufficiently wide work range cannot be achieved.
これを解決する試みとして、マスタ腕の動きを
拡大してスレーブ腕に伝える提案もあるが、その
ようにすると、スレーブ腕を微細に制御する能力
が失われてしまう。 In an attempt to solve this problem, some proposals have been made to magnify the movement of the master arm and transmit it to the slave arm, but if this is done, the ability to finely control the slave arm is lost.
また、例え、マスタ腕、スレーブ腕共、同じ機
構系であつたとしても、始動に際し、マスタ腕と
スレーブ腕と間に位置、姿勢のずれ等があつた場
合、すなわちそれらを表す空間的な物理量値をそ
れぞれある共通の原点に投影変換した際に一対一
の対応関係とならない場合、危険なことには当該
始動と共にスレーブ腕あるいはマスタ腕が急激な
動きを生ずる欠点もあつた。 Furthermore, even if the master arm and the slave arm have the same mechanical system, if there is a difference in position or posture between the master arm and the slave arm upon startup, in other words, the spatial physical quantities representing these If there is not a one-to-one correspondence when the values are projected onto a common origin, there is a danger that the slave arm or the master arm may make sudden movements upon starting.
本発明はこうした従来における欠点を解消し、
マスタ・スレーブ・マニピユレータをより一層、
便利で汎用性の高いものとするために、マスタ腕
とスレーブ腕との機構系に相違があつたり、ある
いはまた始動時に位置、姿勢等の相違があつたり
しても、それらを良く対応付けられる機能を有す
るマスタ・スレーブ・マニピユレータを提供せん
とするものである。 The present invention eliminates these conventional drawbacks,
Even more master/slave manipulators.
In order to be convenient and highly versatile, even if there are differences in the mechanical systems of the master arm and slave arm, or differences in position, posture, etc. at the time of startup, it is possible to correlate them well. It is an object of the present invention to provide a master-slave manipulator with functions.
〈問題点を解決するための手段〉
既述した所において、マスタ腕とスレーブ腕の
機構系の相違とか位置、姿勢等のずれとかは、結
局はそれらを規定する空間的な物理量値の相違に
帰結でき、さらにはそれらの変化分あるいは変化
方向の相違に帰結できる。<Means for solving the problem> As mentioned above, the difference in the mechanical systems of the master arm and the slave arm, or the deviation in position, posture, etc., is ultimately due to the difference in the spatial physical quantity values that define them. This can be attributed to differences in the amount of change or direction of change.
すなわち、上記した従来例の欠点は、マスタ腕
とスレーブ腕に関するこれら物理量値の各変化分
あるいは変化の方向が一対一の対応関係にない場
合に生ずるものである。一対一の対応関係にない
ものを一対一の対応関係で制御しようとしたり、
単に可動範囲ないしは単位変化分の拡大・縮小の
問題で済ませようとしていたからこそ、上記のよ
うな問題が生じていたのである。 That is, the above-mentioned drawbacks of the conventional example occur when there is no one-to-one correspondence between the amount of change or the direction of change in these physical quantity values regarding the master arm and the slave arm. Trying to control things that don't have a one-to-one correspondence with a one-to-one correspondence,
The problem described above arose precisely because the problem was simply expanding or contracting the range of motion or unit change.
したがつて、マスタ腕とスレーブ腕とに関する
それら物理量値の相互間に適当な、上記変化分あ
るいは変化方向に関する一対一の対応関係以外の
必要な対応関係をも満足し得る制御系を提供でき
れば、マスタ腕とスレーブ腕とで機構系が異なつ
ていても、最適な制御が行なえ、分解能（微細な
制御）を犠牲にすることなく、スレーブ腕の可動
範囲を拡大することも容易にできるし、始動時の
位置、姿勢の相違等にも必要な対処をなすことが
できる。 Therefore, if it is possible to provide a control system that can satisfy the necessary correspondence between the physical quantity values of the master arm and the slave arm, other than the one-to-one correspondence regarding the amount of change or the direction of change, Even if the mechanical systems of the master arm and slave arm are different, optimal control can be performed, and the range of movement of the slave arm can be easily expanded without sacrificing resolution (fine control). Necessary measures can also be taken for differences in position, posture, etc. at the time of startup.
このように、所求の対応付けをなすには、まず
もつてマスタ腕の関節角あるいは関節力に関し、
必要な一般化座標を算出し、これに基づいてスレ
ーブ腕駆動のための必要なデータ変換処理をなう
ことが最も合理的で簡単である。 In this way, in order to make the desired correspondence, first of all, regarding the joint angle or joint force of the master arm,
It is most rational and simple to calculate the necessary generalized coordinates and perform the necessary data conversion processing for driving the slave arm based on this.
ここで、一般化座標とは、任意の物理系の運動
状態を表現する物理量をもつて構成される抽象的
な空間を記述する座標である。例えば、６リンク
のマニピユレータであれば、そのハンドル部の運
動状態として、位置、姿勢、速度、角速度、加速
度、角加速度、力、トルクなどの物理量に着目す
ることができ、一般化座標はこれらの物理量を軸
として構成される空間を記述する手段であり、こ
のマニピユレータの上記物理量に係る運動状態は
この空間の一点、即ち一般化座標値で表現でき
る。 Here, generalized coordinates are coordinates that describe an abstract space composed of physical quantities that express the state of motion of an arbitrary physical system. For example, in the case of a 6-link manipulator, physical quantities such as position, orientation, velocity, angular velocity, acceleration, angular acceleration, force, and torque can be focused on as the motion state of the handle part, and the generalized coordinates are based on these physical quantities. It is a means for describing a space constructed around physical quantities as an axis, and the state of motion of this manipulator in relation to the above-mentioned physical quantities can be expressed by one point in this space, that is, by generalized coordinate values.
ここで、任意の物理系の運動状態を表現する物
理量としては、具体的には位置、姿勢（回転）、
速度、角速度、加速度、角加速度、並行力、回転
力（トルク）等を挙げることができる。但し、常
にこれらの物理量を全て含んでいる必要はなく、
これらの中から必要なものを選択すれば良い。 Here, the physical quantities that express the state of motion of any physical system include position, orientation (rotation),
Examples include speed, angular velocity, acceleration, angular acceleration, parallel force, and rotational force (torque). However, it is not necessary to always include all of these physical quantities;
You can choose the one you need from these.
例えば位置対称型のマスタ・スレーブ・マニピ
ユレータにおいては、それぞれマスタ腕、スレー
ブ腕が取り付けられている台の一点を原点とする
直交座標系を想定し、マスタ腕、スレーブ腕それ
ぞれの手先の位置や姿勢、速度、角速度をもつて
一般化座標系とすれば良いし、力逆送方式や力帰
還方式のマスタ・スレーブ・マニピユレータにお
いては、位置、姿勢、速度、角速度、並行力、回
転力をもつて一般化座標とすれば良い。 For example, in a position-symmetric master-slave manipulator, we assume an orthogonal coordinate system with the origin at one point on the base to which the master arm and slave arm are attached, and the positions and postures of the master and slave arms, respectively. It is sufficient to use a generalized coordinate system with , velocity, and angular velocity, and in master-slave manipulators using the force reversal method and force feedback method, it is possible to use a generalized coordinate system with position, attitude, velocity, angular velocity, parallel force, and rotational force. It is sufficient to use generalized coordinates.
従来タイプのマスタ・スクレーブ・マニピユレ
ータのハンドの位置の直交座標表現（ｘ，ｙ，
ｚ）は、この一般化座標の特別な場合である。 Cartesian coordinate representation (x, y,
z) is a special case of this generalized coordinate.
本発明はこのような知見に基づき、既述の目的
を達成するため、次のような構成のマスタ・スレ
ーブ・マニピユレータを提供する。 Based on this knowledge, the present invention provides a master-slave manipulator having the following configuration in order to achieve the above-mentioned objects.
マスタ腕の関節角あるいは関節力に基づき、一
般化された座標データを計算する一般化座標生成
装置と；
入力された一般化座標データからスレーブ腕の
関節角あるいは関節力を生成する逆変換装置と；
上記一般化座標生成装置と上記逆変換装置との
間に設けられたデータ加工部と；から成り、
上記データ加工部は、上記マスタ腕に関する一
般化座標データと上記スレーブ腕に関する一般化
座標データとの間にあつて、それらの変化分ある
いは変化の方向に関して一対一以外の所求の対応
付けを行うことのできる座標系対応付け装置と、
該対応付けを行なうための座標変換データを生成
する変換データ生成装置とを有して成ること；
を特徴とするマスタ・スレーブ・マニピユレータ
を提供する。 A generalized coordinate generation device that calculates generalized coordinate data based on joint angles or joint forces of a master arm; and an inverse transformation device that generates joint angles or joint forces of a slave arm from input generalized coordinate data. ; a data processing section provided between the generalized coordinate generation device and the inverse transformation device; the data processing section generates generalized coordinate data regarding the master arm and generalized coordinate data regarding the slave arm; a coordinate system correspondence device that is capable of performing a desired correspondence other than one-to-one regarding the amount of change or the direction of change between the two;
A master-slave manipulator is provided, comprising: a transformation data generation device that generates coordinate transformation data for performing the association.
ここで、逆変換とは、一般化座標の値からマス
タ或はスレーブマニピユレータの関節角、関節角
速度、関節回転力などを求める変換である。 Here, the inverse transformation is a transformation for determining joint angles, joint angular velocities, joint rotational forces, etc. of the master or slave manipulator from the values of generalized coordinates.
〈作用〉
上記要旨構成中の一般化座標生成装置は、マス
タ腕の各運動自由度の値から、例えば一般化座標
系におけるマスタ腕の手先の位置、姿勢、あるい
はまたトルク等を生成する。<Operation> The generalized coordinate generation device in the above-mentioned summary structure generates, for example, the position, posture, or torque of the hand of the master arm in the generalized coordinate system from the values of each degree of freedom of motion of the master arm.
これは通常の追従型制御モードにおける指令デ
ータを一般化座標系のデータとして得たことに相
当する。 This corresponds to obtaining the command data in the normal follow-up control mode as data in the generalized coordinate system.
一方、逆変換装置では、入力された一般化座標
データからスレーブ腕が実現すべき状態を表すス
レーブ腕駆動用データを生成するが、当該逆変換
装置に入力される一般化座標データは、データ加
工部にて加工されたデータである。 On the other hand, the inverse conversion device generates slave arm drive data representing the state that the slave arm should achieve from the input generalized coordinate data, but the generalized coordinate data input to the inverse conversion device is not processed. This is data processed by the department.
このデータ加工部は、データ加工を指令される
と、内蔵の変換データ生成装置により、その時点
でのマスタ腕の一般化座標とスレーブ腕の一般化
座標との間での必要な対応付けデータ（座標変換
データ）を生成し、これに基づき、座標系対応付
け装置により、マスタ腕の一般化座標をスレーブ
腕の一般化座標に対応付けて、加工済みデータと
して上記逆変換装置にこれを送る。 When this data processing unit is instructed to process data, the built-in conversion data generation device generates the necessary correspondence data ( Based on this, a coordinate system matching device associates the generalized coordinates of the master arm with the generalized coordinates of the slave arm, and sends this as processed data to the inverse transform device.
逆変換装置の出力として、上記の通り、スレー
ブ腕駆動用データが得られた後は、公知既存のも
ので良いスレーブ腕駆動装置により、スレーブ腕
の手先に所定の運動を与え、所定の位置と姿勢、
およびあるいはトルクを実現する。 As described above, after the data for driving the slave arm is obtained as the output of the inverse conversion device, a predetermined movement is given to the tip of the slave arm using a known and existing slave arm drive device, and the slave arm is moved to a predetermined position. posture,
and or torque.
なお、上記要旨構成中における関節角あるいは
関節力なる表現は、いづれか一方の場合はもちろ
ん、結果として両者を共に対象とした装置にも当
然に、本発明が適用可能なことを表している。 Note that the expressions joint angle or joint force in the above summary indicate that the present invention is applicable not only to either one of them, but also to devices that target both of them.
〈実施例〉
第１図には本発明の望ましい一実施例としての
マスタ・スレーブ・マニピユレータ２０が示され
ている。Embodiment FIG. 1 shows a master-slave manipulator 20 as a preferred embodiment of the present invention.
この実施例では、本発明の思想に加えて、通常
の追従型制御モードに他の制御モードとしての比
率型制御と増分型制御の双方を重畳（ちようじよ
う）し得る機構も含んでいる。 In addition to the idea of the present invention, this embodiment also includes a mechanism that can superimpose both ratio type control and incremental type control as other control modes on the normal follow-up type control mode.
すなわち、要旨構成中で言うデータ加工部２５
は、変換データ生成装置２６、座標系対応付け装
置２７の外に、本発明の思想とはまた別な意味
で、あると望ましい制御方式重畳装置７も有して
いる。 In other words, the data processing unit 25 referred to in the abstract structure
In addition to the conversion data generation device 26 and the coordinate system matching device 27, the system also has a control method superimposition device 7, which is desirable in a sense different from the idea of the present invention.
マスタ腕１がリンク型のものである場合、当該
マスタ腕の状態を検出するマスタ腕状態検出装置
４は、各関節に取り付けた公知既存の適当なる角
度検出器等で構成することができる。 When the master arm 1 is of a link type, the master arm state detection device 4 for detecting the state of the master arm can be constituted by a known and existing suitable angle detector attached to each joint.
このマスタ腕状態検出装置４からの出力による
各関節の角度情報からマスタ腕の手先の直交座標
系における六つの自由度の値、すなわちＸ，Ｙ，
Ｚの各座標、及び各軸まわりの各回転角Ａ，Ｂ，
Ｃを算出するマスタ腕一般化座標生成装置６は、
通常の計算器等で構成することができる。 From the angle information of each joint output from the master arm state detection device 4, the values of six degrees of freedom in the orthogonal coordinate system of the hand of the master arm, that is, X, Y,
Each coordinate of Z and each rotation angle A, B, around each axis
The master arm generalized coordinate generation device 6 that calculates C is
It can be configured with a normal calculator or the like.
一方、データ加工部２５を介して与えられる当
該各時点での一般化座標群Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ，
Ｃに関し、スレーブ腕側では、スレーブ腕状態逆
変換装置８により、スレーブ腕の手先が対応する
位置、姿勢になるようなスレーブ腕の各関節角の
値を算出する。 On the other hand, the generalized coordinate group X, Y, Z, A, B,
Regarding C, on the slave arm side, the slave arm state inversion device 8 calculates the value of each joint angle of the slave arm so that the fingertip of the slave arm assumes the corresponding position and posture.
そうして得られた各関節角の値を目標値とし、
公知既存の技術により構成されたスレーブ腕駆動
装置９は、スレーブ腕１４の各関節に取り付けら
れた図示していない適当なアクチユエータ、例え
ば電気モータを駆動、制御して、当該目標値を実
現せんとする。 The value of each joint angle obtained in this way is set as the target value,
The slave arm drive device 9, which is constructed using a known existing technique, drives and controls an appropriate actuator (not shown) attached to each joint of the slave arm 14, such as an electric motor, to achieve the target value. do.
制御用記号列入力装置１９は、本マスタ・スレ
ーブ・マニピユレータ２０の起動や停止等の全体
制御を始め、各部分装置への指令を記号で入力す
る。 The control symbol string input device 19 inputs commands to each partial device in symbols, including overall control such as starting and stopping the master slave manipulator 20.
このような構成の下で、図示されたマスタ・ス
レーブ・マニピユレータ２０には、さらに、比率
制御指令入力装置１２が設けられており、これに
は各自由度に対応するように、比率動作入力スイ
ツチ群が設けてある。 Under such a configuration, the illustrated master-slave manipulator 20 is further provided with a ratio control command input device 12, which has ratio operation input switches corresponding to each degree of freedom. A group has been established.
これに応じ、データ加工部２５内の制御方式重
畳装置７は、当該比率制御指令入力装置１２の各
スイツチからの入力信号が続く間、対応する自由
度の値を対応する一定の速度で増加または減少さ
せ続ける。増減の速度は当該比率制御指令入力装
置１２に備えたスイツチや制御用記号列入力装置
１９により、設定、変更することができる。 In response to this, the control method superimposition device 7 in the data processing section 25 increases or increases the value of the corresponding degree of freedom at a corresponding constant speed while the input signal from each switch of the ratio control command input device 12 continues. Continue to decrease. The speed of increase/decrease can be set or changed using a switch provided in the ratio control command input device 12 or a control symbol string input device 19.
同様にして、図示されたマスタ・スレーブ・マ
ニピユレータ２０には増分型制御指令入力装置１
３も設けられ、当該装置１３には各自由度Ｘ，
Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ，Ｃの増減を指示できるスイツチ
群が備えられている。 Similarly, the illustrated master-slave manipulator 20 includes an incremental control command input device 1.
3 is also provided, and the device 13 has each degree of freedom X,
A group of switches are provided that can instruct increases and decreases in Y, Z, A, B, and C.
この増分型制御指令入力装置１３に備えられて
いる特定のスイツチを一回、操作するたびに、制
御方式重畳装置７ではこのスイツチに対応する自
由度の値を対応する一定量だけ、増加または減少
する。これにより、一般化座標の任意の自由度の
値が当該スイツチ群の選択操作によりそれぞれ対
応する一定量だけ、増減し、スレーブ腕の手先も
対応する一定量づつ、動作するようになる。一回
ごとの増減の速度は、上記と同様、当該増分型制
御指令入力装置１３に備えたスイツチや制御用記
号列入力装置１９にて設定、変更できる。 Each time a specific switch provided in the incremental control command input device 13 is operated, the control method superimposition device 7 increases or decreases the value of the degree of freedom corresponding to this switch by a corresponding fixed amount. do. As a result, the value of any degree of freedom of the generalized coordinates is increased or decreased by a corresponding fixed amount by the selection operation of the switch group, and the tip of the slave arm also moves by a corresponding fixed amount. The speed of each increase/decrease can be set or changed using the switch provided in the incremental control command input device 13 or the control symbol string input device 19, as described above.
本実施例においては、スレーブ腕１４側からマ
スタ腕１を追従制御できるようにもなつている。
すなわち、スレーブ腕の状態を検出するスレーブ
腕状態検出装置１０は先のマスタ腕用と同様、当
該スレーブ腕１４の各関節に取り付けた公知既存
の適当なる角度検出器等で構成することができ、
このスレーブ腕状態検出装置１０の出力による各
関節の角度情報からは、スレーブ腕１４の手先直
交座標系における六つの自由度の値、すなわち
Ｘ，Ｙ，Ｚの各座標、及び各軸まわりの各回転角
Ａ，Ｂ，Ｃがスレーブ腕一般化座標生成装置１１
により算出される。 In this embodiment, the master arm 1 can also be controlled to follow from the slave arm 14 side.
That is, the slave arm state detection device 10 for detecting the state of the slave arm can be constructed of a known and existing suitable angle detector attached to each joint of the slave arm 14, as in the case for the master arm described above.
From the angle information of each joint outputted from the slave arm state detection device 10, the values of the six degrees of freedom in the hand orthogonal coordinate system of the slave arm 14, that is, the X, Y, and Z coordinates, and the Rotation angles A, B, and C are slave arm generalized coordinate generation device 11
Calculated by
一方、データ加工部２５を介して与えられる当
該各時点での一般化座標群Ｘ，Ｙ，Ｚ，Ａ，Ｂ，
Ｃに関し、マスタ腕側では、マスタ腕状態逆変換
装置５により、マスタ腕１の手先が対応する位
置、姿勢になるようなマスタ腕１の各関節角の値
を算出する。 On the other hand, the generalized coordinate group X, Y, Z, A, B,
Regarding C, on the master arm side, the master arm state inversion device 5 calculates the values of each joint angle of the master arm 1 such that the hand of the master arm 1 assumes the corresponding position and posture.
そうして得られた各関節角の値を目標値とし、
公知既存の技術により構成されたマスタ腕駆動装
置３は、マスタ腕１の各関節に取り付けられた図
示していない適当なアクチユエータ、例えば電気
モータを駆動、制御して、当該目標値を実現せん
とする。 The value of each joint angle obtained in this way is set as the target value,
The master arm drive device 3, which is constructed using a known existing technology, drives and controls appropriate actuators (not shown) attached to each joint of the master arm 1, such as an electric motor, to achieve the target value. do.
上記の一般化座標生成装置６，１１にあつて
は、上記六つの自由度の値の算出に限らない外、
場合によつてもつと少ない数の自由度に関しての
演算を行なうようになつていても良いし、逆にト
ルク情報等も加えることができる。 In addition to calculating the values of the six degrees of freedom, the generalized coordinate generation devices 6 and 11 described above are not limited to calculating the values of the six degrees of freedom.
Depending on the case, calculations may be performed for a smaller number of degrees of freedom, or conversely, torque information or the like may also be added.
例えばスレーブ腕がマスタ腕の動きに追従せん
として発生したトルクを一般化座標生成装置１１
によつてトルク情報として算出し、これからマス
タ腕状態逆変換装置５により、マスタ腕の関節力
を算出してこの力を目標値とし、マスタ腕駆動装
置３によつて図示していない適当なアクチユエー
タを制御する等が考えられる。また、特殊な場合
には、関節力の伝達機構にのみ、既述してきた構
成部分を適用することも可能ではある。 For example, the generalized coordinate generation device 11 calculates the torque generated when the slave arm fails to follow the movement of the master arm.
The master arm state inversion device 5 calculates the joint force of the master arm as torque information, uses this force as a target value, and uses the master arm drive device 3 to drive an appropriate actuator (not shown). Possible methods include controlling the Furthermore, in special cases, it is possible to apply the components described above only to the joint force transmission mechanism.
図示の場合にはさらに、操作者がマスタ腕１を
操作しているか否かを検出するマスタ腕操作検出
装置２も設けられていて、その検出信号はデータ
加工部２５に入力されている。 In the illustrated case, a master arm operation detection device 2 is also provided to detect whether or not the operator is operating the master arm 1, and a detection signal thereof is input to the data processing section 25.
これは、操作者がマスタ腕１から手を離したと
き以降、マスタ腕が外力によつて動かされないよ
うに、当該データ加工部２５から制動信号を送つ
てマスタ腕に制動を掛けるためである。 This is to apply a brake to the master arm by sending a brake signal from the data processing unit 25 so that the master arm is not moved by external force after the operator releases the master arm 1.
しかるに、データ加工部２５内にあつて、本発
明の思想により設けられた変換データ生成装置２
６は、データ生成を指令されると（指令部は図示
していない）、その時点でのマスタ腕の一般化座
標とスレーブ腕の一般化座標との間の所求の対応
付けデータ（座標変換データ）を生成する。 However, within the data processing section 25, the converted data generation device 2 provided according to the idea of the present invention.
6, when data generation is commanded (the command unit is not shown), the required correspondence data (coordinate transformation) between the generalized coordinates of the master arm and the generalized coordinates of the slave arm at that time. data).
これを受けた座標系対応付け装置２７では、マ
スタ腕の一般化座標をスレーブ腕のそれに変換す
ること、また望ましくはその逆も行なう。 Upon receipt of this, the coordinate system matching device 27 converts the generalized coordinates of the master arm to those of the slave arm, and preferably vice versa.
したがつてこうした場合、既述した制御方式の
重畳はこの変換データに関して行なわれる。ただ
し、制御方式の重畳はマスタ腕の一般化座標、ス
レーブ腕の一般化座標のいづれにおいてなすもの
としても良いし、比率制御指令入力装置１２、増
分型制御指令入力装置１３をマスタ腕側用、スレ
ーブ腕側用に個々に用意しても良い。しかし一般
には、これら指令装置１２，１３は、マスタ腕側
用、スレーブ腕側用のいづれか一方の側で用意さ
れていれば十分である。 In such a case, therefore, the superposition of the previously described control scheme is carried out on this conversion data. However, the control method may be superimposed on either the generalized coordinates of the master arm or the generalized coordinates of the slave arm, and the ratio control command input device 12 and the incremental control command input device 13 may be used for the master arm, It may be prepared individually for the slave arm side. However, in general, it is sufficient that these command devices 12 and 13 are provided on either the master arm side or the slave arm side.
第２図に示される本発明の第二の実施例は、既
述した第一実施例に加えて、拘束動作条件を設定
可能としたものである。本図中において第１図中
と対応する符号は当該第一実施例におけると同一
で良い構成子を示しており、したがつて、それら
については適宜、説明を省略する。 A second embodiment of the present invention shown in FIG. 2 is one in which, in addition to the first embodiment described above, constraint operating conditions can be set. In this figure, the reference numerals corresponding to those in FIG. 1 indicate components that may be the same as those in the first embodiment, and therefore, explanations thereof will be omitted as appropriate.
拘束動作とは、一般化座標表現されたスレーブ
腕の動作に関し、指定された自由度の値を所定の
値に固定したり、他の自由度の値との間に特定の
関係を維持させたりすることを言う。 Constraint motion refers to the motion of the slave arm expressed in generalized coordinates, such as fixing the value of a specified degree of freedom to a predetermined value, or maintaining a specific relationship between the values of other degrees of freedom. say what you do
例えばスレーブ腕の手先が三次元直交座標系に
おいて一般化座標表現されているとき、Ｘ軸まわ
りの回転角だけを一定の値に固定したり、Ｘ座標
とＹ座標の値が一致するような関係の運動にの
み、限定したりすることである。 For example, when the tip of the slave arm is expressed in generalized coordinates in a three-dimensional orthogonal coordinate system, only the rotation angle around the X axis may be fixed to a constant value, or the values of the X and Y coordinates may match. It is to limit it only to the exercise of.
この第二実施例のマスタ・スレーブ・マニピユ
レータ２０では、必要とするそれぞれの拘束動作
を、拘束動作指令入力装置２１により、適当なる
記号列のデータで与えることができる。また、拘
束動作選択入力装置２２は、どの拘束動作を選ぶ
かを指令するものである。 In the master-slave manipulator 20 of this second embodiment, each required restraint motion can be given as data in an appropriate symbol string using the restraint motion command input device 21. Further, the constraint motion selection input device 22 is used to instruct which constraint motion to select.
このようにして与えられた拘束動作は、当該拘
束動作指令データとスレーブ腕１４から回路１
０，１１を介して与えられる一般化座標との値に
基づいて拘束すべき座標値を生成し、これを制御
方式重畳装置７に送る拘束動作記号列入力装置２
３を設けることにより実現される。 The restraint motion given in this way is transmitted from the restraint motion command data and the slave arm 14 to the circuit 1.
A constraint motion symbol string input device 2 that generates coordinate values to be constrained based on the values of the generalized coordinates given through 0 and 11 and sends them to the control method superimposition device 7.
This is realized by providing 3.
またこうした拘束動作は、スレーブ腕１４に代
えて、あるいは加えて、マスタ腕状態逆変換装置
５とマスタ腕駆動装置３を介することにより、マ
スタ腕１に対しても与えることができる。なお、
拘束動作指令入力装置２１は、先に述べた制御用
記号列入力装置１９で兼用することも可能であ
る。 Further, such a restraining operation can also be applied to the master arm 1 instead of or in addition to the slave arm 14 via the master arm state inversion device 5 and the master arm drive device 3. In addition,
The constraint motion command input device 21 can also be used as the control symbol string input device 19 described above.
上記いづれの実施例においても、制御方式の重
畳は、例えば第３図にマスタ腕１の手先１Ａを拡
大して模式的に示すように、当該操作者が握る握
り部分の適当な位置に設けた制御指令スイツチ群
２４により、操作者の手元から指令するようにす
ることもできる。このようにすれば、もちろん、
作業性は極めて高いものとなる。 In any of the above embodiments, the superimposition of the control system is provided at an appropriate position of the grip held by the operator, as shown schematically in FIG. 3 by enlarging the hand 1A of the master arm 1. The control command switch group 24 can also be used to issue commands from the operator's hand. If you do this, of course,
Workability is extremely high.
ただし、本発明の技術思想は、要旨構成中に見
られるように、そしてまた第１図及び第２図の実
施例中の構成に見られるように、変換データ生成
装置２６によりその時々のマスタ腕の一般化座標
とスレーブ腕の一般化座標との間の所求の対応付
けデータ（座標変換データ）を生成し、座標系対
応付け装置２７において、マスタ腕の一般化座標
をスレーブ腕のそれに変換することにあるから、
原則的には制御方式の重畳や拘束動作には無関係
で、それらは決して限定的なものではない。 However, the technical idea of the present invention, as seen in the summary structure and also in the structure in the embodiments of FIGS. The desired correspondence data (coordinate transformation data) between the generalized coordinates of the master arm and the generalized coordinates of the slave arm is generated, and the coordinate system correspondence device 27 transforms the generalized coordinates of the master arm to those of the slave arm. Because there is something to do,
In principle, it has nothing to do with superimposition of control methods or constraint operations, and they are by no means limiting.
〈発明の効果〉
本発明によれば、一般化座標を導入し、それに
基づきマスタ腕とスレーブ腕との座標系間の対応
付けのためのデータ加工をするため、マスタ腕と
スレーブ腕とには異なつた機構のものも採用する
ことができる。すなわち、マスタ腕とスレーブ腕
の各座標系の任意必要な対応付けが設定でき、し
たがつてまた、その初期設定や再設定を任意の対
応状態、任意の時点で行なえるようにしておけ
ば、マスタ腕の可動範囲の拡大ができるし、始動
時においてマスタ腕とスレーブ腕との座標系のず
れからスレーブ腕が急激な動きをするような危険
も除くことができる。より具体的にこれら効果を
まとめると、下記のようになる。<Effects of the Invention> According to the present invention, since generalized coordinates are introduced and data processing is performed for correspondence between the coordinate systems of the master arm and the slave arm based on the generalized coordinates, the master arm and the slave arm are Different mechanisms can also be used. In other words, if any necessary correspondence between the coordinate systems of the master arm and slave arm can be set, and the initial settings and resetting can be performed in any corresponding state and at any time, then The range of movement of the master arm can be expanded, and the danger of the slave arm making sudden movements due to a shift in the coordinate systems between the master arm and the slave arm at the time of startup can be eliminated. A more concrete summary of these effects is as follows.
マスタ腕の可動範囲が狭い場合、あるいはマ
スタ腕の可動範囲とスレーブ腕のそれとの間に
食い違いがあるため、マスタ・スレーブ・マニ
ピユレータとして共通に利用できる作業範囲が
狭くなつてしまつていたような場合等にも、本
発明を適用すればマスタ腕の可動範囲を仮想的
に拡大し、マスタ・スレーブ・マニピユレータ
としての実効作業範囲を広げることができる。 If the range of motion of the master arm is narrow, or if there is a discrepancy between the range of motion of the master arm and that of the slave arm, the working range that can be commonly used as a master, slave, and manipulator becomes narrow. If the present invention is applied to such cases, the range of movement of the master arm can be virtually expanded, and the effective range of work as a master-slave manipulator can be expanded.
マスタ腕とスレーブ腕とが互いに異なつた姿
勢を取つても作業をすることができる。これは
例えばスレーブ腕が上向きで作業を行なう場合
に、マスタ腕は水平あるいは下向きで作業を指
令できるように対応させれば、人間にとつて作
業しづらい上向き姿勢での作業指令を行なう必
要がなくなることを意味する。 Work can be performed even if the master arm and slave arm take different postures. For example, if the slave arm performs work in an upward position, if the master arm can command the work horizontally or downward, there will be no need to command the work in an upward position, which is difficult for humans. It means that.
変換データの生成機能をマスタ・スレーブ・
マニピユレータの始動時に必ず実行するように
しておけば、マスタ・スレーブ・マニピユレー
タを始動する時のマスタ腕とスレーブ腕の姿勢
のずれによる不都合がなくなる。 Conversion data generation function can be used as master/slave
If it is always executed when the manipulator is started, there will be no inconvenience caused by the misalignment of the master arm and slave arm when starting the master-slave manipulator.
対応付けを行なう一般化座標の自由度に、例
えば重力方向の力を選定し、対応付けの再設定
を行なえば、スレーブ腕が把持している物体の
重さをマスタ腕側からなくすようなこともでき
る。 For example, by selecting the force in the direction of gravity as the degree of freedom of the generalized coordinates for mapping and resetting the mapping, it is possible to remove the weight of the object held by the slave arm from the master arm side. You can also do it.
第１図は本発明によるマスタ・スレーブ・マニ
ピユレータの第一の実施例の概略構成図、第２図
は同じく本発明第二の実施例の概略構成図、第３
図はマスタ腕の手先に制御指令スイツチを備える
場合の説明図、第４図は従来における最も基本的
な構成のマスタ・スレーブ・マニピユレータの概
略構成図、第５図は他の従来例のマスタ・スレー
ブ・マニピユレータの概略構成図、である。
図中、１はマスタ腕、２はマスタ腕操作検出装
置、４はマスタ腕状態検出装置、６はマスタ腕一
般化座標生成装置、７は制御方式重畳装置、８は
スレーブ腕状態逆変換装置、１２は比率制御指令
入力装置、１３は増分型制御指令入力装置、１９
は制御用記号列入力装置、２０は全体としての本
発明によるマスタ・スレーブ・マニピユレータ、
２１は拘束動作指令入力装置、２２は拘束動作選
択入力装置、２３は拘束動作用記号列入力装置、
２４は制御指令スイツチ、２５はデータ加工部、
２６はデータ生成装置、２７は座標系対応付け装
置、である。
FIG. 1 is a schematic diagram of a first embodiment of a master-slave manipulator according to the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram of a second embodiment of the invention, and FIG.
The figure is an explanatory diagram of a case where a control command switch is provided at the end of the master arm, Figure 4 is a schematic diagram of a conventional master-slave manipulator with the most basic configuration, and Figure 5 is another conventional example of a master-slave manipulator. FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a slave manipulator. In the figure, 1 is a master arm, 2 is a master arm operation detection device, 4 is a master arm state detection device, 6 is a master arm generalized coordinate generation device, 7 is a control method superimposition device, 8 is a slave arm state inversion device, 12 is a ratio control command input device, 13 is an incremental control command input device, 19
20 is a control symbol string input device; 20 is a master-slave manipulator according to the present invention as a whole;
21 is a constraint motion command input device, 22 is a constraint motion selection input device, 23 is a constraint motion symbol string input device,
24 is a control command switch, 25 is a data processing section,
26 is a data generation device, and 27 is a coordinate system association device.
Claims (1)
化された座標データを計算する一般化座標生成装
置及び入力された一般化座標データからスレーブ
腕の関節角域は関節力を生成する逆変換装置と； スレーブ腕の関節角域は関節力に基づき、一般
化された座標データを計算する一般化座標生成装
置及び入力された一般化座標データからマスタ腕
の関節角域は関節力を生成する逆変換装置と； 上記マスタ腕側の一般化座標生成装置乃至逆変
換装置と上記スレーブ腕側の一般化座標生成装置
乃至逆変換装置との間に設けられたデータ加工部
と；から成り、 上記データ加工部は、上記マスタ腕に関する一
般化座標データと上記スレーブ腕に関する一般化
座標データとの間にあつて、それらの変化分域は
変化の方向に関して一対一以外の所求の対応付け
を行なうことのできる座標系対応付け装置と、該
対応付けを行なうための座標変換データを生成す
る変換データ生成装置とを有して成ること；を特
徴とするマスタ・スレーブ・マニピユレータ。[Scope of Claims] 1. The joint angle range of the master arm is calculated based on the joint force, and the joint angle range of the slave arm is determined from the generalized coordinate generation device that calculates generalized coordinate data and the input generalized coordinate data. an inverse transformation device that generates force; a generalized coordinate generation device that calculates generalized coordinate data based on the joint force, and a joint angle region of the master arm from the input generalized coordinate data; is an inverse transformation device that generates joint force; a data processing section provided between the generalized coordinate generation device or inverse transformation device on the master arm side and the generalized coordinate generation device or inverse transformation device on the slave arm side; The data processing section is located between the generalized coordinate data regarding the master arm and the generalized coordinate data regarding the slave arm, and their change domain is other than one-to-one with respect to the direction of change. A master-slave manipulator comprising: a coordinate system mapping device capable of performing the desired mapping; and a transformation data generation device generating coordinate transformation data for performing the mapping. .
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9280085A JPS61252081A (en) | 1985-04-30 | 1985-04-30 | Master/slave manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP9280085A JPS61252081A (en) | 1985-04-30 | 1985-04-30 | Master/slave manipulator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61252081A JPS61252081A (en) | 1986-11-10 |
| JPH0442144B2 true JPH0442144B2 (en) | 1992-07-10 |
Family
ID=14064487
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP9280085A Granted JPS61252081A (en) | 1985-04-30 | 1985-04-30 | Master/slave manipulator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61252081A (en) |
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Legal Events
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