JPH05177563A - Control method for master slave manipulator - Google Patents
Control method for master slave manipulatorInfo
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- JPH05177563A JPH05177563A JP3357903A JP35790391A JPH05177563A JP H05177563 A JPH05177563 A JP H05177563A JP 3357903 A JP3357903 A JP 3357903A JP 35790391 A JP35790391 A JP 35790391A JP H05177563 A JPH05177563 A JP H05177563A
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- arm
- slave
- master
- joint angle
- jacobian
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- Manipulator (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はマスタアームがパッシブ
で、スレーブアームがアクティブなユニラテラルマスタ
スレーブ・マニピュレータの制御方法に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for controlling a unilateral master-slave manipulator in which a master arm is passive and slave arms are active.
【０００２】[0002]
【従来の技術】マスタアームとスレーブアームが相似な
機構的構成を有している場合（以後、同構造と呼ぶ）の
スレーブアームの姿勢を決定する従来の方法は２つに分
類することができる。一つは、対応する関節のモータ間
で対称型などの制御方式を適用する方法である。そのよ
うに、対応する関節間どうしでマスタスレーブの制御系
を構成する場合には、関節座標系への座標変換は必要で
ないため、次節で述べるような問題点は発生しない（図
３）。ところが、この方法ではスレーブアームに対象物
の座標系を基準としたコンプライアンス特性を容易に設
定できないという問題点を有する。もう一つは、作業対
象物を基準とした座標系をマニピュレータの手先に設定
する方法である（たとえば、「マスタースレイブマニピ
ュレータの制御に関する研究」佐藤他、第７回ロボット
学会学術講演会 講演番号1211）。 このように手先の
作業座標系を基準にすることにより、作業座標系に応じ
たコンプライアンスやインピーダンスなどを容易に設定
することが可能になる。このことは、前に述べた関節を
基準にする方法にはないメリットを生じる。ところがこ
の方法では、最終的にはアクチュエータの運動指令を必
要とするため、それぞれの機構に応じた機構逆変換の方
法を適用することにより関節座標系のモータ位置指令と
して決定していた（図４）。この逆変換の過程では次節
に述べる問題点が生じる。2. Description of the Related Art Conventional methods for determining the posture of a slave arm when the master arm and the slave arm have similar mechanical structures (hereinafter referred to as the same structure) can be classified into two. . One is a method of applying a symmetric control method or the like between the motors of the corresponding joints. In this way, when configuring a master-slave control system between corresponding joints, coordinate conversion to the joint coordinate system is not necessary, so the problems described in the next section do not occur (FIG. 3). However, this method has a problem that the compliance characteristic based on the coordinate system of the object cannot be easily set in the slave arm. The other is a method of setting a coordinate system based on the work object at the hand of the manipulator (for example, “Study on control of master slave manipulator” Sato et al., 7th Robotics Society Academic Lecture # 1211). ). By using the work coordinate system of the hand as a reference in this way, it becomes possible to easily set compliance, impedance, and the like according to the work coordinate system. This creates advantages over the previously mentioned joint-based method. However, in this method, the motion command of the actuator is finally required, and therefore, the method of the mechanism inverse conversion corresponding to each mechanism is applied to determine the motor position command of the joint coordinate system (FIG. 4). ). In the process of this inverse transformation, the problems described in the next section occur.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べた機
構的逆変換を用いる方法は、手先から関節座標系への変
換が一意に決定できる場合に適用することができる。た
とえば、３次元空間でロボット手先の位置と姿勢から関
節の角度に変換する場合、位置の３自由度と姿勢の３自
由度、合計６自由度を実現するためには関節は少なくと
も６自由度の運動自由度を必要とする。逆に、６自由度
以上の関節を持っていれば手先の位置・姿勢を満足する
一組以上で有限個の関節角の解が存在する。ところが、
手先自由度より関節自由度が多い場合には、与えられた
一つの手先位置・姿勢に対して対応する関節角の組が無
限に存在することになる。このようなマニピュレータで
は一般には手先の位置姿勢の情報のみでは関節角を決定
することができない。このように手先自由度より関節自
由度の方が多いマニピュレータを冗長自由度を有するマ
ニピュレータと呼び、手先の位置姿勢を実現する上では
無駄な自由度を含んでいるマニピュレータと考えられる
が、一つの手先の位置姿勢に対してさまざまな腕の姿勢
をとることができるできる点を利用して、障害物回避や
回り込みなど有用な動作を行うことができる。従って、
冗長自由度を有効に生かした手先から関節への運動分解
の方法が必要である。特に、スレーブアームがコンプラ
イアンス特性などをもちマスタとスレーブで異なる姿勢
をとる場合はマスタ姿勢にできるだけ近似したスレーブ
の関節角指令を決定しなければならない。したがって、
本発明は、マスタとスレーブで異なる姿勢をとる場合
に、マスタ姿勢にできるだけ近似したスレーブの関節角
指令を決定できる方法を提供することを目的とする。The method using the mechanical inverse transformation described in the prior art can be applied when the transformation from the hand to the joint coordinate system can be uniquely determined. For example, when converting the position and posture of the robot hand into a joint angle in a three-dimensional space, the joint has at least six degrees of freedom in order to achieve three degrees of freedom in position and three degrees of freedom in posture. Requires freedom of movement. On the contrary, if there are joints with 6 or more degrees of freedom, there are a finite number of joint angle solutions in one or more sets that satisfy the position and orientation of the hand. However,
When there are more joint degrees of freedom than the hand degrees of freedom, there are an infinite number of sets of joint angles corresponding to one given hand position / posture. In such a manipulator, generally, the joint angle cannot be determined only by the information on the position and orientation of the hand. Such a manipulator with more joint degrees of freedom than the hand degree of freedom is called a manipulator with redundant degrees of freedom, and is considered to be a manipulator that includes unnecessary degrees of freedom in achieving the position and orientation of the hand. By utilizing the fact that various arm postures can be taken with respect to the position and posture of the hand, it is possible to perform useful actions such as obstacle avoidance and wraparound. Therefore,
It is necessary to have a method of motion decomposition from the hands to the joints that effectively utilizes the redundant degrees of freedom. In particular, when the slave arm has compliance characteristics or the like and the master and the slave take different postures, it is necessary to determine a joint angle command of the slave that is as close as possible to the master posture. Therefore,
It is an object of the present invention to provide a method capable of determining a slave joint angle command that is as close as possible to the master posture when the master and the slave take different postures.
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明は、マスタアーム
と外力による位置ずれを生ずるスレーブアームが相似な
機構的構成を持ったマスタスレーブマニピュレータにお
いて、前記マスタアームのヤコビ行列式を用いて、前記
マスタアームの姿勢に近似したスレーブアームの姿勢の
関節角指令を決定するものである。According to the present invention, in a master-slave manipulator having a mechanical structure in which a master arm and a slave arm that is displaced due to an external force have a similar mechanical structure, the Jacobian determinant of the master arm is used. The joint angle command for the attitude of the slave arm that is similar to the attitude of the master arm is determined.
【０００５】[0005]
【作用】同構造のマスタスレーブアームはマスタがスレ
ーブの姿勢の規範を示しているので、スレーブアームは
できるだけマスタに近い姿勢をとらせることにより、同
構造の特性をもっとも有効に利用した制御を行うことが
できる。ところで、疑似ヤコビ行列は手先の位置・姿勢
と関節角の微小変位関係を表す関数行列である。したが
って、マスタのヤコビ行列はマスタの関節角姿勢を表す
関数ととらえると、この行列を用いることによってマス
タアームに近似したスレーブアームの関節角姿勢を決定
することができる。なお、ここで用いるヤコビアンはス
レーブアームのヤコビアンではなく、マスタアームのヤ
コビアンを用いているため運動分解における解の集束性
が保証される。With the master-slave arm of the same structure, the master indicates the norm of the attitude of the slave. Therefore, by making the slave arm take the attitude as close to the master as possible, the characteristics of the structure are used most effectively. be able to. By the way, the pseudo-Jacobi matrix is a function matrix representing a minute displacement relationship between the hand position / posture and the joint angle. Therefore, if the Jacobian matrix of the master is regarded as a function representing the joint angle posture of the master, the joint angle posture of the slave arm that is close to the master arm can be determined by using this matrix. Since the Jacobian used here is not the slave arm Jacobian but the master arm Jacobian, the solution focusing property in the motion decomposition is guaranteed.
【０００６】[0006]
【実施例】以下、具体的実施例を説明する。図１は本発
明の実施例で、スレーブ側の力制御方式として、スレー
ブアーム手先にマウントされた力センサのフィードバッ
クをもとにしたインピーダンス制御を行った場合の制御
系ブロック図を示している。パッシブなマスタの関節角
θm は順変換部１により作業座標系における手先の位置
姿勢Ｘm を得る。スレーブ力検出値 とスレーブ関節角
θs を力座標変換部２に入力して、作業座標系における
力Ｆexを得る。前記Ｘm と前記Ｆexはインピーダンス制
御演算部３に入力され、マスタスレーブ間の位置姿勢誤
差ｅk を得る。ｅk を得る計算式は次のとおりである。EXAMPLES Specific examples will be described below. FIG. 1 is a block diagram of a control system in a case where an impedance control is performed as a force control method on a slave side based on a feedback of a force sensor mounted on a hand of a slave arm in an embodiment of the present invention. The joint angle θ m of the passive master is obtained by the forward conversion unit 1 as the position and orientation X m of the hand in the work coordinate system. The slave force detection value and the slave joint angle θ s are input to the force coordinate conversion unit 2 to obtain the force F ex in the work coordinate system. The X m and the F ex are input to the impedance control calculation unit 3 to obtain the position / orientation error e k between the master and slave. The calculation formula for obtaining e k is as follows.
【０００７】[0007]
【数１】 [Equation 1]
【０００８】マスタアームの関節角θm は、疑似ヤコビ
アン演算部４によりスレーブアームのヤコビアンの（疑
似）逆行列Ｊm + を得る。前記ｅk と前記Ｊm + は乗算
器５に入力されて、乗算されたのち、加算器６にでマス
タアームの関節角θm に加算されてスレーブアームの関
節位置指令θsrを得る。以上の流れを数式で示すと次の
とおりである。 θsr＝θm ＋Ｊm + ｅ(k) θsr：スレーブ関節角指令（ｎ・１） θm ：マスタ関節角（ｎ・１） Ｊm + ：スレーブアームのヤコビアンの（疑似）逆行列
（ｎ・ｍ） ｅ：マスタスレーブ間の位置姿勢誤差（作業座標系）
（ｍ・１） ただし、（ ・ ）は行列とベクトルの次元を表す。 ｎ：関節自由度 ｍ：手先の制御自由度The joint angle θ m of the master arm is obtained by the pseudo Jacobian operation unit 4 as the (pseudo) inverse matrix J m + of the Jacobian of the slave arm. The e k and the J m + are input to the multiplier 5 and are multiplied, and then added to the joint angle θ m of the master arm by the adder 6 to obtain the joint position command θ sr of the slave arm. The above flow is shown by mathematical expressions as follows. θ sr = θ m + J m + e (k) θ sr : slave joint angle command (n · 1) θ m : master joint angle (n · 1) J m + : (pseudo) inverse matrix of the Jacobian of the slave arm ( n ・ m) e: Position / orientation error between master and slave (work coordinate system)
(M · 1) However, (·) represents the dimensions of the matrix and the vector. n: degree of freedom of joint m: degree of freedom of control of hand
【０００９】すなわち、スレーブアームはコンプライア
ンス特性によってマスタアームと多少のズレを生じてい
る。そのときの作業座標系での誤差ｅをマスタアームの
ヤコビアンを用いて関節座標系の微小変位に変換する。
基準姿勢はマスタアームの関節角であるため、マスタア
ームの各関節角に微小変位を加算することによりスレー
ブアームの関節角指令を決定することができる。ここで
用いるヤコビアンはスレーブアームのヤコビアンではな
くマスタアームのヤコビアンを用いているため運動分解
における解の集束性が保証される。これによりマスタア
ームの姿勢に近似したスレーブアームの姿勢の関節角指
令を決定することができる。図２は３自由度冗長アーム
に本アルゴリズムを適用した場合の結果を示したもので
ある。スティック線図は点線がマスタアームの姿勢を、
実線は（ａ）が本アルゴリズムの方式で運動分解を行っ
た結果、（ｂ）が根元の第一軸を固定し残りの２軸で機
構的な逆解を求めたもので、それぞれ＋Ｘ軸方向、ーＸ
軸方向に手先が移動した場合の２種類の結果を示してい
る。（ｃ）は（ａ）、（ｂ）の座標変換の結果を関節角
変位の２乗和で評価したもので、（ａ）の方が関節の変
位が小さくマスタアームに対する近似特性も良いことが
わかる。That is, the slave arm is slightly displaced from the master arm due to the compliance characteristic. The error e in the working coordinate system at that time is converted into a minute displacement in the joint coordinate system using the Jacobian of the master arm.
Since the reference posture is the joint angle of the master arm, the joint angle command of the slave arm can be determined by adding a small displacement to each joint angle of the master arm. Since the Jacobian used here uses the Jacobian of the master arm rather than the Jacobian of the slave arm, the convergence of the solution in motion decomposition is guaranteed. This makes it possible to determine the joint angle command for the attitude of the slave arm that is similar to the attitude of the master arm. FIG. 2 shows the result when the present algorithm is applied to a 3-DOF redundant arm. In the stick diagram, the dotted line indicates the attitude of the master arm,
The solid line (a) is the result of motion decomposition by the method of this algorithm, and (b) is the one that fixed the first axis of the root and found the mechanical inverse solution on the remaining two axes. , -X
Two types of results are shown when the hand moves in the axial direction. (C) is an evaluation of the results of coordinate conversion of (a) and (b) by the sum of squares of joint angle displacements. (A) has smaller joint displacement and better approximation characteristics to the master arm. Recognize.
【００１０】[0010]
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、外
力によりスレーブアームの位置ずれが生ずるような、ス
レーブアームが外力に対して柔軟な制御特性を有するマ
スタスレーブマニピュレータにおいて、スレーブアーム
をできるだけマスターアームに近似して追従制御するこ
とが可能となる。特に、冗長な自由度を有するアームに
適用する場合は、障害物回避・回り込みなどを有効に利
用したユニラテラル・マスタスレーブ制御が可能とな
り、作業性を大幅に向上することができる。As described above, according to the present invention, in the master-slave manipulator in which the slave arm has a flexible control characteristic with respect to an external force such that the slave arm is displaced by an external force, the slave arm is It is possible to perform follow-up control as close to the master arm as possible. In particular, when applied to an arm having redundant degrees of freedom, unilateral master / slave control that effectively uses obstacle avoidance / wraparound can be performed, and workability can be greatly improved.
【図１】本アルゴリズムをスレーブアームがインピーダ
ンス制御されたユニラテラルマスタスレーブアームに適
用した場合の制御ブロック図FIG. 1 is a control block diagram when the present algorithm is applied to a unilateral master slave arm whose slave arm has impedance control.
【図２】本発明のアルゴリズムにより冗長アームの座標
変換を行った場合と、他の方法により座標変換を行った
場合のアーム姿勢の変化と評価グラフFIG. 2 is a graph showing changes in the arm posture and evaluation graphs when the coordinate conversion of the redundant arm is performed by the algorithm of the present invention and when the coordinate conversion is performed by another method.
【図３】逆機構学によって解を求めることができる非冗
長なユニラテラルマスタスレーブ制御方式のブロック図FIG. 3 is a block diagram of a non-redundant unilateral master-slave control method capable of obtaining a solution by inverse mechanics.
【図４】同構造で関節対応型の制御を行う従来の冗長型
ユニラテラルマスタスレーブ制御方式のブロック図FIG. 4 is a block diagram of a conventional redundant unilateral master-slave control system that performs joint-compatible control with the same structure.
１ 順変換部 ２ 力座標変換部 ３ インピーダンス制御演算部 ４ 疑似ヤコビアン演算部 ５ 乗算器 ６ 加算器 1 Forward conversion unit 2 Force coordinate conversion unit 3 Impedance control calculation unit 4 Pseudo Jacobian calculation unit 5 Multiplier 6 Adder
Claims (1)
ずるスレーブアームが相似な機構的構成を持ったマスタ
スレーブマニピュレータにおいて、前記マスタアームの
ヤコビ行列式を用いて、前記マスタアームの姿勢に近似
した前記スレーブアームの姿勢の関節角指令を決定する
ことを特徴とするマスタスレーブマニピュレータの制御
方法。1. A master-slave manipulator in which a master arm and a slave arm that is displaced due to an external force have a similar mechanical structure, wherein a Jacobian determinant of the master arm is used to approximate the posture of the master arm. A control method for a master-slave manipulator, characterized in that a joint angle command of a posture of a slave arm is determined.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35790391A JP3206765B2 (en) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | Control method of master-slave manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35790391A JP3206765B2 (en) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | Control method of master-slave manipulator |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05177563A true JPH05177563A (en) | 1993-07-20 |
| JP3206765B2 JP3206765B2 (en) | 2001-09-10 |
Family
ID=18456529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35790391A Expired - Fee Related JP3206765B2 (en) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | Control method of master-slave manipulator |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3206765B2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109984514A (en) * | 2019-03-22 | 2019-07-09 | 杨松 | The method of beddo remote controler and remote control electric bed |
| CN111185906A (en) * | 2020-01-10 | 2020-05-22 | 上海大学 | Leap Motion-based dexterous hand master-slave control method |
| CN112405488A (en) * | 2020-11-06 | 2021-02-26 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | Force-guide-based heterogeneous master-slave teleoperation control method and device |
| CN113547196A (en) * | 2021-07-27 | 2021-10-26 | 天津大学 | Master-slave mirror image synchronous motion control method of bilateral friction stir welding equipment |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2549072B (en) * | 2016-03-24 | 2020-07-29 | Cmr Surgical Ltd | Robot control |
-
1991
- 1991-12-25 JP JP35790391A patent/JP3206765B2/en not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN109984514A (en) * | 2019-03-22 | 2019-07-09 | 杨松 | The method of beddo remote controler and remote control electric bed |
| CN111185906A (en) * | 2020-01-10 | 2020-05-22 | 上海大学 | Leap Motion-based dexterous hand master-slave control method |
| CN112405488A (en) * | 2020-11-06 | 2021-02-26 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | Force-guide-based heterogeneous master-slave teleoperation control method and device |
| CN113547196A (en) * | 2021-07-27 | 2021-10-26 | 天津大学 | Master-slave mirror image synchronous motion control method of bilateral friction stir welding equipment |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3206765B2 (en) | 2001-09-10 |
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