JPH0655467A - Control device for master slave moving body - Google Patents
Control device for master slave moving bodyInfo
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- JPH0655467A JPH0655467A JP22782792A JP22782792A JPH0655467A JP H0655467 A JPH0655467 A JP H0655467A JP 22782792 A JP22782792 A JP 22782792A JP 22782792 A JP22782792 A JP 22782792A JP H0655467 A JPH0655467 A JP H0655467A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、宇宙，海洋，原子力
分野など作業者が立ち入ることの困難な極限地作業、あ
るいは映像のみならず運動を必要とする遠隔地間の協同
作業などに用いて好適なマスタスレーブ運動体制御装置
に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION This invention is used for extreme land work such as space, ocean, and nuclear field where workers are difficult to enter, or for cooperative work between remote places that requires motion as well as images. The present invention relates to a suitable master-slave moving body control device.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、この種のマスタスレーブ運動
体制御装置として、異構造のマスタマニピュレータ（マ
スタ運動体）とスレーブマニピュレータ（スレーブ運動
体）とを備え、マスタ運動体で検出した位置情報を写像
計算部にて基準となる作業空間座標系に写像して、スレ
ーブ運動体を制御するものが存在する。2. Description of the Related Art Conventionally, as a master-slave moving body control device of this type, a master manipulator (master moving body) and a slave manipulator (slave moving body) having different structures are provided, and position information detected by the master moving body is provided. There is one that controls a slave moving body by mapping it in a reference work space coordinate system by a mapping calculation unit.
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のマスタスレーブ運動体制御装置では、マスタ
運動体とスレーブ運動体との構造が異なることによる運
動体の動力学的パラメータを調整して位置変位量を変換
する膨大な計算量を写像計算部にて必要とし、自由度
（関節）の増加に伴い計算時間も増加し、これに比例し
てサンプリング時間も長くなり、操作性が悪化するとい
う問題があった。また、従来のマスタスレーブ運動体制
御装置において、マスタ・スレーブ運動体の多くは、各
自由度にカウンタウェイトあるいはバネを使って、メカ
ニカルにその自重成分をバランスさせている。しかし、
自由度の多い多関節形のマスタ・スレーブ運動体には構
造的に適用が困難である。また、遅れ時間等によるマス
タ側、スレーブ側の姿勢誤差が考慮されていないため、
正確な自重補償が行われず、操作性が悪化する。さら
に、マスタ・スレーブ運動体の関節軸の駆動源としてモ
ータを用いた場合、トルク／重量比が小さいため、軽量
化して所定の駆動力を得ようとすると減速機を用いなけ
ればならず、摩擦の増大によって操作性に問題があっ
た。However, in such a conventional master-slave moving body control device, the position of the moving body is adjusted by adjusting the dynamic parameters of the moving body due to the different structures of the master moving body and the slave moving body. An enormous amount of calculation for converting the displacement amount is required in the mapping calculation unit, the calculation time increases as the degree of freedom (joint) increases, and the sampling time increases in proportion to this, which deteriorates operability. There was a problem. In the conventional master-slave moving body control device, most of the master-slave moving bodies use counterweights or springs for each degree of freedom to mechanically balance their own weight components. But,
It is structurally difficult to apply to articulated master / slave moving bodies with many degrees of freedom. Also, since attitude errors on the master side and slave side due to delay time etc. are not considered,
Accurate weight compensation is not performed and operability deteriorates. Further, when a motor is used as a drive source of the joint shaft of the master / slave moving body, the torque / weight ratio is small, and therefore, a reduction gear must be used to reduce the weight and obtain a predetermined drive force. There was a problem in operability due to the increase in
【０００４】本発明はこのような課題を解決するために
なされたもので、その目的とするところは、膨大な計算
を行うことなく、高速に所定の機能を実現して、遠隔地
間の通信への適用性を向上させ、かつ操作性のよいマス
タスレーブ運動体制御装置を提供することにある。The present invention has been made in order to solve such a problem, and an object of the present invention is to realize a predetermined function at high speed without performing a huge amount of calculation and to perform communication between remote places. It is an object of the present invention to provide a master-slave motion body control device having improved operability and good operability.
【０００５】なお、本発明において、「運動体」の呼称
は、種々の駆動源（出力、方式、形状）を用いてその組
み合わせにより、作業性に応じた多様な自由度を有して
空間上の運動を行うロボテイクスの総称として用いてい
る。In the present invention, the term "moving body" is used in combination with various drive sources (outputs, methods, shapes) and combinations thereof to provide various degrees of freedom in accordance with workability in a space. It is used as a generic term for robotics that exercises.
【０００６】[0006]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、弾性特性を有する駆動源によりそ
の関節軸が駆動されるマスタ運動体と、このマスタ運動
体と同構造対称型のスレーブ運動体と、マスタ運動体の
関節軸に取り付けられその関節軸の回転位置を検出する
マスタ位置検出手段と、このマスタ位置検出手段の検出
する関節軸の回転位置に基づきその関節軸の位置偏差を
求め、対応するスレーブ運動体における関節軸の位置制
御量を演算する位置制御演算手段とを備えたものであ
る。In order to achieve such an object, the present invention provides a master moving body whose joint axis is driven by a driving source having elastic characteristics, and a structure having the same structure as the master moving body. Type slave moving body, a master position detecting means attached to the joint axis of the master moving body to detect the rotational position of the joint axis, and the joint axis of the joint axis based on the rotating position of the joint axis detected by the master position detecting means. And a position control calculating means for calculating the position deviation and calculating the position control amount of the joint axis in the corresponding slave moving body.
【０００７】[0007]
【作用】したがってこの発明によれば、マスタ運動体の
関節軸の回転位置を弾性変位させると、その弾性変位に
よる位置偏差に一致するように、スレーブ運動体の対応
する関節軸の回転位置が弾性変位する。Therefore, according to the present invention, when the rotational position of the joint shaft of the master moving body is elastically displaced, the rotational position of the corresponding joint shaft of the slave moving body is elastically adjusted so as to match the position deviation due to the elastic displacement. Displace.
【０００８】[0008]
【実施例】以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。EXAMPLES The present invention will now be described in detail based on examples.
【０００９】実施例１ 図１は本発明の第１実施例を示すマスタスレーブ運動体
制御装置のシステム構成図である。この実施例では、空
気をゴム製筋肉に流入して圧力制御を行う駆動源を用
い、マスタ運動体，スレーブ運動体間をユニラテラル制
御するものとしている。First Embodiment FIG. 1 is a system configuration diagram of a master-slave moving body control device showing a first embodiment of the present invention. In this embodiment, a unilateral control is performed between the master moving body and the slave moving body by using a drive source for injecting air into the rubber muscle to control the pressure.
【００１０】同図において、１はマスタ駆動系であり、
空気圧制御のゴム製筋肉２本を拮抗させて、その引張力
により一つの回転軸（関節軸）が回転する。関節軸は作
業用途に応じて多関節に構成する。２はスレーブ駆動系
であり、マスタ駆動系１と同構造対称型である。３はマ
スタ位置計測系であり、本実施例の場合、エンコーダと
エンコーダ受信部とから構成される。発明者らの実験で
は、制御内圧０から４９０ｋｐａ、収縮率２０％程度の
ゴム製筋肉２本の引張力を駆動源として用いた場合、１
回転２０００パルス程度の分解能を有するエンコーダを
用いて検出側で４逓倍し、関節軸の増速比を除算した分
解能で操作者の操作力を弾性変位として充分検出でき
る。４は位置制御演算部であり、操作者が操作すること
によって生じる各回転軸の回転角の差分（回転位置の変
位：位置偏差）を常時検出する。５はマスタサーボドラ
イバであり、位置制御演算部４の出力データを受けて空
気の流入圧力を制御し、マスタ駆動系１を駆動する。６
はスレーブサーボドライバであり、位置制御演算部４の
出力データを受けて空気の流入圧力を制御し、スレーブ
駆動系２を駆動する。In the figure, 1 is a master drive system,
Two rubber muscles controlled by air pressure are made to antagonize each other, and one rotation shaft (joint shaft) is rotated by the tensile force. The joint shaft is multi-joint according to the work application. Reference numeral 2 denotes a slave drive system, which has the same structural symmetry as the master drive system 1. Reference numeral 3 denotes a master position measuring system, which in the present embodiment is composed of an encoder and an encoder receiving section. In the experiments conducted by the inventors, when the tensile force of two rubber muscles having a control internal pressure of 0 to 490 kpa and a contraction rate of about 20% was used as a driving source, 1
An operating force of the operator can be sufficiently detected as an elastic displacement with a resolution obtained by multiplying by 4 on the detection side using an encoder having a resolution of about 2000 pulses of rotation and dividing the speedup ratio of the joint axis. Reference numeral 4 denotes a position control calculation unit, which constantly detects a difference (rotational position displacement: position deviation) in the rotation angle of each rotation axis caused by the operation of the operator. Reference numeral 5 denotes a master servo driver, which receives output data from the position control calculation unit 4 and controls the inflow pressure of air to drive the master drive system 1. 6
Is a slave servo driver, which receives the output data of the position control calculation unit 4 and controls the inflow pressure of air to drive the slave drive system 2.
【００１１】図２はマスタ駆動系１の概略であり、一つ
の関節軸について示している。同図において、１−１は
正回転引張側のゴム製筋肉、１−２は逆回転引張側のゴ
ム製筋肉、１−３は関節軸であり、エンコーダ３−１が
内蔵されている。ゴム製筋肉１−１と１−２とを拮抗さ
せてその引張力により関節軸１−３が回転する。ゴム製
筋肉１−１，１−２への空気の流入圧力は、エアーケー
ブルを介して、マスタサーボドライバ５により制御され
る。なお、マスタサーボドライバ５へは、コンプレッサ
より基準圧力が与えられている。FIG. 2 is a schematic diagram of the master drive system 1, showing one joint axis. In the figure, 1-1 is a rubber muscle on the forward rotation pulling side, 1-2 is a rubber muscle on the reverse rotation pulling side, 1-3 is a joint shaft, and an encoder 3-1 is built in. The rubber muscles 1-1 and 1-2 are antagonized with each other and the tensile force causes the joint shaft 1-3 to rotate. The inflow pressure of air into the rubber muscles 1-1 and 1-2 is controlled by the master servo driver 5 via the air cable. The master servo driver 5 is supplied with a reference pressure from the compressor.
【００１２】このように構成されたマスタスレーブ運動
体制御装置において、操作者が、マスタ運動体Ｍの先端
部分を保持して運動を行うと、マスタ位置計測系３が各
関節軸の回転位置を計測して位置制御演算部４へ送信す
る。位置制御演算部４は、圧力制御量に対する各関節軸
の位置制御量の関係を示すテーブルを持っていて、位置
変位情報から各関節軸を駆動する作動流体（空気）の圧
力制御信号へ逆変換する計算を行い、スレーブサーボド
ライバ６へ送信する。圧力制御信号は、同時にマスタサ
ーボドライバ５へも送信され、マスタ運動体Ｍは操作者
の行う動作に受動的に追従する。スレーブサーボドライ
バ６は、作動流体（空気）の圧力制御信号を受けて、ス
レーブ駆動系２を駆動する。In the master-slave moving body control device thus constructed, when the operator holds the tip of the master moving body M and makes an exercise, the master position measuring system 3 determines the rotational position of each joint axis. It measures and transmits to the position control calculation part 4. The position control calculation unit 4 has a table showing the relationship of the position control amount of each joint shaft with respect to the pressure control amount, and reversely converts the position displacement information into a pressure control signal of the working fluid (air) that drives each joint shaft. Calculation is performed and transmitted to the slave servo driver 6. The pressure control signal is also transmitted to the master servo driver 5 at the same time, and the master moving body M passively follows the operation performed by the operator. The slave servo driver 6 receives the pressure control signal of the working fluid (air) and drives the slave drive system 2.
【００１３】ここで、第１の問題点として、空気をゴム
製筋肉に流入して圧力制御を行う駆動系では、圧力制御
量に対する位置変位量の繰り返し精度に微小のばらつき
が生じる。また、第２の問題点として、操作者の操作力
によるマスタスレーブ運動のように停止・反転・動作が
頻繁である非定常な運動では、マスタ位置計測系３はエ
ンコーダの計測パルス受信回路（エンコーダ受信部）が
振動により誤動作する場合がある。Here, as a first problem, in a drive system in which air is introduced into a rubber muscle to perform pressure control, minute variations occur in the repeatability of the position displacement amount with respect to the pressure control amount. In addition, as a second problem, the master position measurement system 3 uses the measurement pulse receiving circuit (encoder The receiving part) may malfunction due to vibration.
【００１４】本実施例のマスタスレーブ運動体制御装置
では、上述の第１の問題点を解決するために、位置制御
演算部４において、マスタ位置計測系３のエンコーダの
基準位置信号（０地点）を用いて各関節軸の回転角の中
心を通過する度に対応するスレーブ側の各関節軸も基準
位置に一致させる処理を行うものとしている。この補正
処理を介在させることにより、初期状態でマスタ側、ス
レーブ側双方の姿勢を一致させて、さらに、それ以降の
操作者の連続的運動により誤差が重畳しないようにする
ことができる。この機能を採用する前提条件として、各
関節軸の許容動作角内に基準位置信号（０地点）が中心
位置に１地点のみ入力されるように駆動系機構のギア比
を設計する必要がある。In the master-slave moving body control apparatus of this embodiment, in order to solve the above-mentioned first problem, the position control calculation unit 4 causes the reference position signal (zero point) of the encoder of the master position measurement system 3 to be solved. Is used to perform processing for matching each joint axis on the slave side corresponding to the reference position with each passing of the center of the rotation angle of each joint axis. By interposing this correction process, the postures of both the master side and the slave side can be made to coincide in the initial state, and further, it is possible to prevent the error from being superimposed due to the subsequent continuous motion of the operator. As a precondition for adopting this function, it is necessary to design the gear ratio of the drive system mechanism so that the reference position signal (0 point) is input to only one point at the center position within the allowable operation angle of each joint axis.
【００１５】また、本実施例のマスタスレーブ運動体制
御装置では、上述の第２の問題点を解決するために、２
相パルス出力型のエンコーダの場合、計測パルス受信回
路に停止状態や正転方向から逆転方向へ回転方向が変わ
るときに両相パルスの信号幅と位相差から異常パルス発
生状態を検出すると、クロック信号を出力して余計なカ
ウントパルスを打ち消す回路を付加して誤動作を防止す
るものとしている。Further, in the master-slave motion body control device of the present embodiment, in order to solve the above-mentioned second problem, 2
In the case of a phase pulse output type encoder, if the abnormal pulse occurrence state is detected from the signal width and phase difference of both phase pulses when the measurement pulse receiving circuit is stopped or the rotation direction changes from the forward rotation direction to the reverse rotation direction, the clock signal To prevent the malfunction by adding a circuit for canceling the extra count pulse by outputting.
【００１６】さらに、マスタ位置計測系３のエンコーダ
の検出周波数が数百ｋHz程度とするとクロックは数ＭHz
程度必要であり、マスタ位置計測系３に同期して駆動系
１，２を運動させるには空気の流入圧力を制御するサー
ボドライバ５，６を含む制御系全体の処理時間を高速に
設計する必要がある。Further, if the detection frequency of the encoder of the master position measuring system 3 is about several hundred kHz, the clock is several MHz.
It is necessary to design the processing time of the entire control system including the servo drivers 5 and 6 for controlling the inflow pressure of air to move the drive systems 1 and 2 in synchronization with the master position measurement system 3 at high speed. There is.
【００１７】図３はマスタ運動体Ｍおよびスレーブ運動
体Ｓを人間の腕とほゞ対称形に構成し５自由度の同構造
としたマスタスレーブ運動体制御装置の要部を示すシス
テム構成図である。FIG. 3 is a system configuration diagram showing a main part of a master-slave moving body control device in which the master moving body M and the slave moving body S are formed substantially symmetrically with a human arm to have the same structure with five degrees of freedom. is there.
【００１８】同図において、ＥＣ１〜ＥＣ５はエンコー
ダ、ＥＣＢ１〜ＥＣＢ５はエンコーダバッファ、Ｕ／Ｄ
１〜Ｕ／Ｄ５はアップダウンカウンタ、Ｄ／Ａ１１，Ｄ
／Ａ１２〜Ｄ／Ａ５１，Ｄ／Ａ５２はディジタル・アナ
ログ変換器、Ｖ−Ｉ１１，Ｖ−Ｉ１２〜Ｖ−Ｉ５１，Ｖ
−Ｉ５２は電圧・電流変換器、ＳＶＯ１〜ＳＶＯ５はサ
ーボドライバである。In the figure, EC1 to EC5 are encoders, ECB1 to ECB5 are encoder buffers, and U / D
1 to U / D5 are up / down counters, D / A11, D
/ A12 to D / A51, D / A52 are digital-analog converters, V-I11, V-I12 to V-I51, V
-I52 is a voltage / current converter, and SVO1 to SVO5 are servo drivers.
【００１９】操作者がマスタ運動体Ｍの先端部分を保持
して運動を行うと、エンコーダＥＣ１〜ＥＣ５は、各関
節軸の回転によりパルスを発生して、エンコーダバッフ
ァＥＣＢ１〜ＥＣＢ５を介し、アップダウンカウンタＵ
／Ｄ１〜Ｕ／Ｄ５へ送信する。アップダウンカウンタＵ
／Ｄ１〜Ｕ／Ｄ５では、エンコーダバッファＥＣＢ１〜
ＥＣＢ５からの３相のパルス（Ａ相，Ｂ相，Ｚ相）から
回転方向の判別と分解能の逓倍処理を行い、回転角を検
出する。ディジタル・アナログ変換器Ｄ／Ａ１１，Ｄ／
Ａ１２〜Ｄ／Ａ５１，Ｄ／Ａ５２は、アップダウンカウ
ンタＵ／Ｄ１〜Ｕ／Ｄ５での検出回転角から圧力制御テ
ーブルに基づいて、拮抗する正回転引張側のゴム製筋肉
Ｒｕｂ１１〜Ｒｕｂ５１、逆回転引張側のゴム製筋肉Ｒ
ｕｂ１２〜Ｒｕｂ５２のそれぞれへ流入する空気圧力に
応じたアナログ電圧値を発生する。電圧・電流変換器Ｖ
−Ｉ１１，Ｖ−Ｉ１２〜Ｖ−Ｉ５１，Ｖ−Ｉ５２は、デ
ィジタル・アナログ変換器Ｄ／Ａ１１，Ｄ／Ａ１２〜Ｄ
／Ａ５１，Ｄ／Ａ５２からのアナログ電圧値をサーボド
ライバＳＶＯ１〜ＳＶＯ５の圧力制御レンジに対応した
制御電流値に変換して送信する。サーボドライバＳＶＯ
１〜ＳＶＯ５は正回転引張側のゴム製筋肉Ｒｕｂ１１〜
Ｒｕｂ５１、逆回転引張側のゴム製筋肉Ｒｕｂ１２〜Ｒ
ｕｂ５２のそれぞれへ制御電流値に応じた空気圧力を流
入する。正回転引張側のゴム製筋肉Ｒｕｂ１１〜Ｒｕｂ
５１、逆回転引張側のゴム製筋肉Ｒｕｂ１２〜Ｒｕｂ５
２への空気流入圧力は、常に和が圧力制御レンジの最大
値になるようにする。When the operator holds the tip of the master moving body M and performs a motion, the encoders EC1 to EC5 generate pulses by the rotation of the joint shafts, and the encoders ECB1 to ECB5 move up and down. Counter U
/ D1 to U / D5. Up-down counter U
/ D1 to U / D5, encoder buffers ECB1 to
From the three-phase pulse (A phase, B phase, Z phase) from the ECB 5, the rotation direction is discriminated and the resolution is multiplied to detect the rotation angle. Digital / analog converter D / A11, D /
A12 to D / A51 and D / A52 are, based on the pressure control table, detected rotation angles at the up / down counters U / D1 to U / D5, based on a pressure control table. Rubber muscle R on the tension side
The analog voltage value according to the air pressure which flows into each of ub12-Rub52 is generated. Voltage-current converter V
-I11, V-I12 to V-I51, V-I52 are digital / analog converters D / A11 and D / A12 to D.
The analog voltage values from / A51 and D / A52 are converted into control current values corresponding to the pressure control ranges of the servo drivers SVO1 to SVO5 and transmitted. Servo driver SVO
1 to SVO5 are rubber muscles Rub11 to the positive rotation tension side
Rub51, rubber muscles Rub12 to R on the reverse tension side
Air pressure corresponding to the control current value flows into each of the ubs 52. Positive rotation tension side rubber muscles Rub11 to Rub
51, rubber muscles Rub12 to Rub5 on the reverse rotation pulling side
The air inflow pressure to 2 is always such that the sum is the maximum value of the pressure control range.
【００２０】以上説明したように、本実施例によるマス
タスレーブ運動体制御装置によると、空気をゴム製筋肉
に流入して圧力制御を行う駆動系１および２を用いるこ
とにより、すなわち弾性特性を有する駆動系を用いるこ
とにより、マスタ運動体Ｍとスレーブ運動体Ｓを同構造
に構成し、シンプルで柔軟な運動体機構を作ることがで
き、操作者の身体との調和性を損なわないようにするこ
とができる。これにより、操作者は、重力成分を力感覚
として感じることなくマスタ運動体Ｍを操作でき、さら
にカウンタウェイトやバネを用いた重力補償と同様に任
意の姿勢で外力が作用しない状態で、マスタ運動体Ｍお
よびスレーブ運動体Ｓを静止させることができる。As described above, according to the master-slave moving body control apparatus according to this embodiment, by using the drive systems 1 and 2 for controlling the pressure by injecting air into the rubber muscle, that is, the elastic characteristic is obtained. By using the drive system, the master moving body M and the slave moving body S can be configured to have the same structure, and a simple and flexible moving body mechanism can be created so that the harmony with the operator's body is not impaired. be able to. As a result, the operator can operate the master moving body M without feeling the gravity component as a force sensation, and in the same manner as gravity compensation using a counterweight or a spring, the master movement can be performed in a state where no external force acts. The body M and the slave moving body S can be stationary.
【００２１】本実施例のマスタスレーブ運動体制御装置
では、マスタ運動体Ｍは数kgｆ・ｃｍの小さなトルクで
操作され、スレーブ運動体Ｓの追従性も良好であること
が、発明者らの試作装置実験により確認されている。In the master-slave moving body control apparatus of this embodiment, the master moving body M is operated with a small torque of several kgf · cm, and the slave moving body S has good followability. It is confirmed by the device experiment.
【００２２】また、本実施例によるマスタスレーブ運動
体制御装置によると、同構造対称型のマスタ運動体Ｍと
スレーブ運動体Ｓを用いて、それぞれの関節軸について
弾性特性を有する駆動源を設け、マスタ運動体Ｍの各関
節軸の弾性変位による位置偏差に一致するようにスレー
ブ運動体Ｍの各関節軸を駆動し、スレーブ運動体Ｓに所
定の運動を行わせるものとしているので、マスタ運動体
Ｍ，スレーブ運動体Ｓの構造が異なることによる運動体
の動力学的パラメータを調整して位置変位量を変換する
膨大な計算を必要とする写像計算の工程を含まずに、高
速にマスタスレーブ運動体制御を行うことができる。そ
して、関節が増えても計算時間が増加しないため、サン
プリング時間を高速にできるメリットがある。Further, according to the master-slave moving body control apparatus of this embodiment, the master moving body M and the slave moving body S having the same structural symmetry are used to provide drive sources having elastic characteristics with respect to the respective joint axes. Since each joint axis of the slave moving body M is driven so as to match the position deviation due to the elastic displacement of each joint axis of the master moving body M, the slave moving body S is caused to perform a predetermined motion. M, master-slave motion at high speed, without including a step of mapping calculation that requires enormous calculation to adjust the dynamic parameter of the moving body due to different structures of the slave moving body S to convert the amount of position displacement You can control your body. Further, since the calculation time does not increase even if the number of joints increases, there is an advantage that the sampling time can be shortened.
【００２３】また、膨大な演算量を必要としていたマス
タ機構の自重補償や操作者の操作力ベクトルに追従させ
る受動制御等の運動体姿勢制御を必要最小限にすること
がき、マスタ側対スレーブ側の追従誤差の影響を極力小
さくすることができる。In addition, it is possible to minimize the moving body posture control such as the self-weight compensation of the master mechanism and the passive control that follows the operating force vector of the operator, which requires a huge amount of calculation. The influence of the following error can be minimized.
【００２４】また、常に自重成分が補償された上で相対
的な位置偏差として制御するため、メカニカルにマスタ
マ運動体Ｍ，スレーブ運動体Ｓの自重成分をバランスさ
せる場合と比較して、マスタ側、スレーブ側の姿勢誤差
が少なく操作性が向上する。Further, since the self-weight component is always compensated and controlled as a relative position deviation, the self-weight component of the master moving body M and the slave moving body S is mechanically balanced as compared with the case of the master side. Posture error on the slave side is small and operability is improved.
【００２５】さらに、マスタスレーブ運動体制御装置の
駆動源として弾性特性を有する駆動系を用いているの
で、トルク／重量比が大きく、減速機を用いなくても充
分なトルクを発生することができる。Furthermore, since the drive system having elastic characteristics is used as the drive source of the master-slave moving body control device, the torque / weight ratio is large, and sufficient torque can be generated without using a speed reducer. .
【００２６】実施例２ 図４は、この発明の第２実施例を示すマスタスレーブ運
動体制御装置のシステム構成図である。この実施例で
は、空気をゴム製筋肉に流入して圧力制御を行う駆動源
を用い、マスタ運動体とスレーブ運動体との位置偏差に
よりバイラテラル制御するものとしている。Second Embodiment FIG. 4 is a system configuration diagram of a master-slave moving body control device showing a second embodiment of the present invention. In this embodiment, a driving source for injecting air into the rubber muscle to control the pressure is used, and bilateral control is performed by the positional deviation between the master moving body and the slave moving body.
【００２７】同図において、図１と同一符号は同一或い
は同等構成要素を示し、その説明は省略する。この実施
例では、スレーブ運動体Ｓにスレーブ位置計測系７を設
け、マスタ運動体Ｍとスレーブ運動体Ｓとの各関節軸の
回転角の位置偏差をマスタスレーブ位置比較器８にて求
め、その求めたマスタスレーブ位置偏差を位置制御演算
部４’へ与えるものとしている。In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 1 designate the same or equivalent constituent elements, and the description thereof will be omitted. In this embodiment, the slave moving body S is provided with a slave position measuring system 7, and the master slave position comparator 8 obtains the position deviation of the rotation angle of each joint axis between the master moving body M and the slave moving body S. The obtained master-slave position deviation is given to the position control calculation unit 4 '.
【００２８】このように構成されたマスタスレーブ運動
体制御装置において、操作者が、マスタ運動体Ｍの先端
部分を保持して運動を行うと、マスタスレーブ位置比較
器８はマスタ位置計測系３からの各関節軸の回転位置と
スレーブ位置計測系７からの各関節軸の回転位置との位
置偏差を求め、すなわちマスタ運動体Ｍの各関節軸のマ
スタスレーブ位置偏差を求め、この求めたマスタスレー
ブ位置偏差を位置制御演算部４’へ送信する。位置制御
演算部４’では、位置偏差が発生すると、常に双方の位
置偏差の１／２の位置まで動作させようとする。これに
より、系の慣性力がマスタ側に加わることを避けること
ができる。以降の処理は、ユニラテラル制御したマスタ
スレーブ運動体制御装置と同様である。In the master-slave moving body control device thus constructed, when the operator holds the tip portion of the master moving body M and makes an exercise, the master-slave position comparator 8 causes the master position measuring system 3 to move. Of the joint position of each joint axis of the master moving body M, that is, the master-slave position deviation of each joint axis of the master moving body M is calculated. The position deviation is transmitted to the position control calculation unit 4 '. When a position deviation occurs, the position control calculation unit 4 ′ always attempts to operate up to a position half of both position deviations. This can prevent the inertial force of the system from being applied to the master side. Subsequent processing is the same as that of the master-slave moving body control device that has performed unilateral control.
【００２９】この実施例の特徴は、位置偏差としてスレ
ーブ側に作用する環境からの外力をマスタ側へ伝達でき
ること、特別な力、トルクセンサを取り付ける必要がな
いこと、スレーブ側からもマスタ側を操作できること、
系の慣性力がマスタ側に加わらないことなどが挙げられ
る。The features of this embodiment are that external force from the environment acting on the slave side as a position deviation can be transmitted to the master side, no special force or torque sensor need be attached, and the slave side can operate the master side. What you can do
The inertial force of the system is not added to the master side.
【００３０】実施例３ 図５は、本発明の第３実施例を示すマスタスレーブ運動
体制御装置のシステム構成図である。この実施例では、
空気をゴム製筋肉に流入して圧力制御を行う駆動源を用
い、マスタ運動体とスレーブ運動体との位置偏差および
力偏差によりバイラテラル制御するものとしている。Third Embodiment FIG. 5 is a system configuration diagram of a master-slave moving body control device showing a third embodiment of the present invention. In this example,
By using a drive source that controls the pressure by injecting air into the rubber muscle, bilateral control is performed by position deviation and force deviation between the master moving body and the slave moving body.
【００３１】同図において、図４と同一符号は同一或い
は同等構成要素を示し、その説明は省略する。この実施
例では、マスタ力検出部９を設け、マスタ駆動系１での
各関節軸への駆動流体のモニタ圧力値を受信するものと
している。また、スレーブ力検出部１０を設け、スレー
ブ駆動系２での各関節軸への駆動流体のモニタ圧力値を
受信するものとしている。そして、マスタスレーブ力比
較器１１にてマスタ運動体Ｍとスレーブ運動体Ｓとの各
関節軸における力偏差を求め、その求めた力偏差を圧力
位置変換部１２を介してマスタサーボドライバ５へ与え
るものとしている。In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 4 indicate the same or equivalent constituent elements, and the description thereof will be omitted. In this embodiment, the master force detector 9 is provided to receive the monitor pressure value of the drive fluid to each joint shaft in the master drive system 1. Further, the slave force detection unit 10 is provided to receive the monitor pressure value of the driving fluid to each joint axis in the slave drive system 2. Then, the master-slave force comparator 11 obtains a force deviation at each joint axis between the master moving body M and the slave moving body S, and the obtained force deviation is given to the master servo driver 5 via the pressure position conversion unit 12. I am supposed to.
【００３２】このように構成されたマスタスレーブ運動
体制御装置において、操作者が、マスタ運動体Ｍの先端
部分を保持して運動を行うと、弾性による各関節軸の位
置変位はマスタ位置計測系３で計測され、同時に操作力
が加えられたことによる各関節軸への駆動流体のモニタ
圧力値の変化がマスタ力検出部９で計測される。マスタ
スレーブ力比較器１１は、マスタ力検出部９からの各モ
ニタ圧力値とスレーブ力検出部１０からの各モニタ圧力
値とを受信して、マスタ運動体Ｍとスレーブ運動体Ｓと
の各関節軸における力偏差を求める。すなわち、マスタ
運動体Ｍのマスタスレーブ力偏差を求め、この求めたマ
スタスレーブ力偏差を圧力位置変換部１２へ送信する。
圧力位置変換部１２では、マスタスレーブ力偏差に応
じ、このマスタスレーブ力偏差を小さくする向きの作用
力を計算して、それを位置制御量に変換し、マスタサー
ボドライバ５へ伝達する。マスタ運動体Ｍは、操作力が
作用したときの駆動源の弾性特性により起こる内圧力変
位がフィードバックされ、操作者の運動に追従する。ス
レーブ環境の反力は、マスタスレーブ比較器１１におい
てマスタスレーブ力偏差として取り出され、圧力位置変
換部１２を介してマスタ駆動系１へ伝達される。マスタ
位置計測系３で計測された位置変位は、マスタスレーブ
位置比較器８においてスレーブ側との位置偏差を検出さ
れ、位置制御演算部４’を介して、スレーブサーボドラ
イバ６へ送信され、スレーブ側の駆動系２がスレーブ運
動体Ｓを駆動する。In the master-slave moving body controller thus constructed, when the operator holds the tip of the master moving body M and makes a motion, the position displacement of each joint axis due to elasticity is measured by the master position measuring system. 3 and the change of the monitor pressure value of the driving fluid to each joint axis due to the simultaneous application of the operation force is measured by the master force detection unit 9. The master-slave force comparator 11 receives each monitor pressure value from the master force detection unit 9 and each monitor pressure value from the slave force detection unit 10, and joints between the master moving body M and the slave moving body S. Find the force deviation on the axis. That is, the master-slave force deviation of the master moving body M is obtained, and the obtained master-slave force deviation is transmitted to the pressure position conversion unit 12.
The pressure position conversion unit 12 calculates an acting force in a direction that reduces the master-slave force deviation according to the master-slave force deviation, converts the acting force into a position control amount, and transmits the position control amount to the master servo driver 5. The master moving body M follows the movement of the operator by feeding back the internal pressure displacement caused by the elastic characteristic of the drive source when the operating force acts. The reaction force of the slave environment is taken out as a master-slave force deviation by the master-slave comparator 11, and is transmitted to the master drive system 1 via the pressure position conversion unit 12. The position displacement measured by the master position measurement system 3 is detected by the master-slave position comparator 8 as a position deviation from the slave side, and is transmitted to the slave servo driver 6 via the position control calculation unit 4 ', and the slave side is detected. The drive system 2 drives the slave moving body S.
【００３３】本実施例の特徴としては、変換誤差を少な
く直接的にスレーブ環境からの反力をマスタ側へフィー
ドバックでき、スレーブ側、マスタ側両方にマスタ重量
に応じた慣性力が作用するため、慣性力による反力がマ
スタ側へ直接伝達されない効果がある。The feature of this embodiment is that the reaction force from the slave environment can be directly fed back to the master side with a small conversion error, and an inertial force corresponding to the master weight acts on both the slave side and the master side. There is an effect that the reaction force due to the inertial force is not directly transmitted to the master side.
【００３４】なお、上述した実施例２および３によれ
ば、遠隔協同作業への適用性からコミニュケーションル
ールに基づいた双方向型運動伝達（特願平４−１１６３
９２号「双方向側マスタスレーブ運動制御方法」参照）
を行うこともできる。According to the second and third embodiments described above, the bidirectional motion transmission based on the communication rule is applied from the applicability to remote cooperative work (Japanese Patent Application No. 4-1163).
No.92 "Bidirectional master-slave motion control method")
You can also do
【００３５】また、上述した実施例２および３による
と、操作者の操作力を駆動系の弾性による微小の位置変
位として検出でき、複雑な写像計算を介することなく、
並列に同構造のマスタ運動体Ｍ，スレーブ運動体Ｓの対
応する関節軸へ伝達でき、また、スレーブ側へ環境から
外力が作用した場合、圧力制御目標値に対する圧力実測
値を計測することにより、環境から受ける外力を検出し
て力ベクトルの写像計算を介することなく、同構造のマ
スタ運動体Ｍへフィードバックすることもできる。ま
た、手先に力、トルクセンサを取り付ける必要がなく、
機構の重量を軽減できるとともに力成分を写像計算する
工程を省略でき、制御系を非常に小さくできる。Further, according to the second and third embodiments described above, the operating force of the operator can be detected as a minute positional displacement due to the elasticity of the drive system, and without complicated mapping calculation.
By transmitting in parallel to the corresponding joint axes of the master moving body M and the slave moving body S of the same structure, and when an external force acts on the slave side from the environment, by measuring the actual pressure value for the pressure control target value, It is also possible to detect the external force received from the environment and feed it back to the master moving body M of the same structure without going through the force vector mapping calculation. Also, it is not necessary to attach a force / torque sensor to the hand,
The weight of the mechanism can be reduced, the step of mapping the force component can be omitted, and the control system can be made very small.
【００３６】なお、上述した各実施例では空気をゴム製
筋肉に流入して圧力制御を行う駆動系を用いたが、この
ような駆動系に限定されるものではなく、適宜使用用途
の目的や作業環境，作業要求される精度に応じて、油，
水等他の作動流体を用いたり、形状記憶合金の塑性変形
特性を応用した駆動系、超音波モータによる駆動系等の
弾性特性を有する小型高出力駆動源など他の手段を用い
ることもできる。その他、本発明の要旨を逸脱しない範
囲で種々変更して実施することができる。In each of the above-mentioned embodiments, the drive system for controlling the pressure by injecting air into the rubber muscle is used, but the present invention is not limited to such a drive system, and the purpose of use and the purpose of use can be appropriately changed. Depending on the work environment and the required accuracy of work, oil,
It is also possible to use other working fluids such as water, or other means such as a drive system to which the plastic deformation characteristics of the shape memory alloy are applied, a small high output drive source having elastic characteristics such as a drive system using an ultrasonic motor. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
【００３７】[0037]
【発明の効果】以上説明したことから明らかなように本
発明によれば、弾性特性を有する駆動源によりその関節
軸が駆動されるマスタ運動体と、このマスタ運動体と同
構造対称型のスレーブ運動体と、マスタ運動体の関節軸
に取り付けられその関節軸の回転位置を検出するマスタ
位置検出手段と、このマスタ位置検出手段の検出する関
節軸の回転位置に基づきその関節軸の位置偏差を求め、
対応するスレーブ運動体における関節軸の位置制御量を
演算する位置制御演算手段とを備えたので、マスタ運動
体の関節軸の回転位置を弾性変位させると、その弾性変
位による位置偏差に一致するようにスレーブ運動体の対
応する関節軸の回転位置が弾性変位するものとなり、膨
大な計算を行うことなく、高速に所定の機能を実現し
て、遠隔地間の通信への適用性を向上させ、かつ操作性
をよくすることができるようになる。As is apparent from the above description, according to the present invention, a master moving body whose joint axis is driven by a driving source having elastic characteristics, and a slave having the same structure as the master moving body and having the same structure. The moving body and a master position detecting means attached to the joint axis of the master moving body to detect the rotational position of the joint axis, and the position deviation of the joint axis based on the rotational position of the joint axis detected by the master position detecting means. Seeking,
Since the position control calculation means for calculating the position control amount of the joint shaft in the corresponding slave moving body is provided, when the rotational position of the joint shaft of the master moving body is elastically displaced, the position deviation due to the elastic displacement is matched. In addition, the rotation position of the corresponding joint axis of the slave moving body is elastically displaced, and it realizes a predetermined function at high speed without performing huge calculations, improving the applicability to communication between remote places, And it becomes possible to improve the operability.
【図１】本発明の第１実施例を示すマスタスレーブ運動
体制御装置のシステム構成図。FIG. 1 is a system configuration diagram of a master-slave moving body control device showing a first embodiment of the present invention.
【図２】マスタ駆動系の概略構成を示す図。FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of a master drive system.
【図３】マスタ運動体およびスレーブ運動体を人間の腕
とほゞ対称形に構成し５自由度の同構造としたマスタス
レーブ運動体制御装置の要部を示すシステム構成図。FIG. 3 is a system configuration diagram showing a main part of a master-slave moving body control device in which a master moving body and a slave moving body are approximately symmetrical with a human arm and have the same structure with five degrees of freedom.
【図４】本発明の第２実施例を示すマスタスレーブ運動
体制御装置のシステム構成図。FIG. 4 is a system configuration diagram of a master-slave moving body control device showing a second embodiment of the present invention.
【図５】本発明の第３実施例を示すマスタスレーブ運動
体制御装置のシステム構成図。FIG. 5 is a system configuration diagram of a master-slave moving body control device showing a third embodiment of the present invention.
１ マスタ駆動系 ２ スレーブ駆動系 ３ マスタ位置計測系 ４ 位置制御演算部 ５ マスタサーボドライバ ６ スレーブサーボドライバ Ｍ マスタ運動体 Ｓ スレーブ運動体 １−１ 正回転引張側のゴム製筋肉 １−２ 逆回転引張側のゴム製筋肉 １−３ 回転軸（関節軸） 1 Master drive system 2 Slave drive system 3 Master position measurement system 4 Position control calculation unit 5 Master servo driver 6 Slave servo driver M Master moving body S Slave moving body 1-1 Forward rotation Rubber muscle on the pulling side 1-2 Reverse rotation Rubber muscle on the tension side 1-3 Rotation axis (joint axis)
Claims (1)
軸が駆動されるマスタ運動体と、 このマスタ運動体と同構造対称型のスレーブ運動体と、 前記マスタ運動体の関節軸に取り付けられその関節軸の
回転位置を検出するマスタ位置検出手段と、 このマスタ位置検出手段の検出する関節軸の回転位置に
基づきその関節軸の位置偏差を求め、対応する前記スレ
ーブ運動体における関節軸の位置制御量を演算する位置
制御演算手段とを備えたことを特徴とするマスタスレー
ブ運動体制御装置。1. A master moving body whose joint axis is driven by a drive source having elastic characteristics, a slave moving body having the same structure as the master moving body, and a slave moving body having the same structure as that of the master moving body. Master position detecting means for detecting the rotational position of the joint axis, and position deviation of the joint axis based on the rotational position of the joint axis detected by the master position detecting means, and position control of the corresponding joint axis in the slave moving body. A master-slave moving body control device comprising: a position control calculation means for calculating an amount.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22782792A JPH0655467A (en) | 1992-08-05 | 1992-08-05 | Control device for master slave moving body |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22782792A JPH0655467A (en) | 1992-08-05 | 1992-08-05 | Control device for master slave moving body |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0655467A true JPH0655467A (en) | 1994-03-01 |
Family
ID=16866995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22782792A Pending JPH0655467A (en) | 1992-08-05 | 1992-08-05 | Control device for master slave moving body |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0655467A (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002311176A (en) * | 2001-04-12 | 2002-10-23 | Taiheiyo Cement Corp | Positioning device |
| WO2008108289A1 (en) * | 2007-03-01 | 2008-09-12 | Tokyo Institute Of Technology | Maneuvering system having inner force sense presenting function |
| JP2010269392A (en) * | 2009-05-20 | 2010-12-02 | Tokyo Institute Of Technology | Musculoskeletal mechanical system |
| US8897916B2 (en) | 2007-03-01 | 2014-11-25 | Tokyo Institute Of Technology | Maneuvering system having inner force sense presenting function |
| CN111267090A (en) * | 2018-12-04 | 2020-06-12 | 深圳先进技术研究院 | Master-slave control system and method for double-arm robot |
-
1992
- 1992-08-05 JP JP22782792A patent/JPH0655467A/en active Pending
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| JP5327687B2 (en) * | 2007-03-01 | 2013-10-30 | 国立大学法人東京工業大学 | Maneuvering system with haptic function |
| US8700213B2 (en) | 2007-03-01 | 2014-04-15 | Tokyo Institute Of Technology | Maneuvering system having inner force sense presenting function |
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