JPS5929395B2 - Master/slave type servo manipulator - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、マスタアームの操縦によりスレーブアームを
動作させて物体の把握を行なわせる多関節のマスタ・ス
レーブ形サーボマニピュレータに関し、スレーブアーム
の動作位置制御をマスタアームによる操縦のほかにコン
トロールボックスによる操縦も可能にしたサーボマニピ
ュレータに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an articulated master-slave type servo manipulator that grasps an object by operating a slave arm by operating a master arm. This invention relates to a servo manipulator that can also be operated using a control box.

第１図は従来のマスタ・スレーブ形サーボマニピュレー
タの１つの関節のブロック構成を示し、スレーブ側が出
している力をオペレータに力の感覚としてフィードバッ
クするバイラテラル制御方式のものである。FIG. 1 shows a block configuration of one joint of a conventional master-slave type servo manipulator, which uses a bilateral control system in which the force exerted by the slave side is fed back to the operator as a sensation of force.

スレーブアーム１が物体を把握してい冫よい状態からオ
ペレータがマスタ・アーム２を操縦することにより、そ
の開度θｍが変化し、このθｍは位置検出器３で電気信
号に変換される。同様にスレーブ・アーム１の開度θｓ
も位置検出器４で電気信号に変換される。これら２つの
電気信号は比較器５の入力となり、比較器５の出力ΔＥ
はθｍとθｓの差に比例し、増幅器６と位置誤差信号変
換器Ｔの入力となる。その結果、増幅器６、駆動装置８
によりスレーブ・アーム１の開度θｓはθｍの変化に追
従するようになる。一方、比較器５の出力△Ｅは位置誤
差信号変換器Ｔで所望の出力信号に変換され、その出力
Ｅｐはマスタ・アーム２の把持力つまりオペレータの操
縦力を検出する力検出器９の出力Ｅｔと比較器１０で比
較され、その結果、増幅器１１と駆動装置１２を通じて
ＥｐとＥｔが釣り合うように動作する。When the operator manipulates the master arm 2 from a stable state in which the slave arm 1 grasps an object, its opening degree θm changes, and this θm is converted into an electrical signal by the position detector 3. Similarly, the opening degree θs of slave arm 1
is also converted into an electrical signal by the position detector 4. These two electrical signals become the input of the comparator 5, and the output ΔE of the comparator 5
is proportional to the difference between θm and θs, and is input to the amplifier 6 and the position error signal converter T. As a result, the amplifier 6, the driver 8
As a result, the opening degree θs of the slave arm 1 follows the change in θm. On the other hand, the output ΔE of the comparator 5 is converted into a desired output signal by the position error signal converter T, and the output Ep is the output of the force detector 9 that detects the gripping force of the master arm 2, that is, the operator's control force. It is compared with Et by a comparator 10, and as a result, Ep and Et are operated to be balanced through an amplifier 11 and a driving device 12.

例えば、ＥｔがＥｐより大きければ、駆動装置１２はそ
の差Ｅｔ−Ｅｐを小さくしようとしてその時オペレータ
が加えている力の向きにマスタ・アーム２を開あるいは
閉にするよう動作する。次に、スレーブ・アーム１が高
剛性物体を把握した場合、オペレータの操縦によりθｍ
が小さくなつてもθｓはほとんど変化し得ないので、Ｌ
Ｅ、Ｅｐともその絶対値は大きくなり駆動装置１２はオ
ペレータの操縦力とは反対の向きにトルクを発生させ、
オペレータは、このトルクに負けまいと更に力を強める
。この結果、ＥｔとＥｐとは一致して系は平衡する。ス
レーブ・アーム１が△ＥキＯの状態で吻揮表面に触れて
いるだけでは、オペレータは何ら力の帰還を受けないが
、更に握りこむとその大きさに対応した△Ｅ，Ｅｐが生
じてＥｔ＝Ｅｐだけの操縦力が与えられる。こうしたバ
イラテラル制御方式とすることで物体把握時の異和感を
小さくする。第１図に示すバイラテフル制御方式に限ら
ず多関節のマスタ・スレーブ型サーボマニピユレータに
おいては、第１図の手先部のつかみのほかに手首折曲げ
、手首捩りさらには肘及び肩の曲げ、振り等の制御系を
持たせる。For example, if Et is greater than Ep, drive system 12 operates to open or close master arm 2 in the direction of the force currently being applied by the operator in an attempt to reduce the difference Et - Ep. Next, when slave arm 1 grasps a highly rigid object, the operator controls the θm
Even if θs becomes small, θs hardly changes, so L
The absolute values of both E and Ep become large, and the drive device 12 generates torque in the opposite direction to the operator's steering force.
The operator increases the force even further in order not to succumb to this torque. As a result, Et and Ep match and the system is in equilibrium. If the slave arm 1 is just touching the proboscis surface in the state of △EkiO, the operator will not receive any force feedback, but if the slave arm 1 is gripped further, △E and Ep corresponding to the size will occur. A steering force of Et=Ep is given. This bilateral control method reduces the sense of discomfort when grasping an object. Not only the bilateral full control system shown in Fig. 1, but also multi-jointed master-slave type servo manipulators, in addition to the grasping of the hand part shown in Fig. 1, can be used to bend the wrist, twist the wrist, and bend the elbow and shoulder. Provide a control system for swinging, etc.

しかし、従来の多関節のマスタースレーブ型サーボマニ
ピユレータではその操縦がマスターアームだけによるも
のである。このため、ある位置に置かれた物を把握し別
の位置に移動させるような作業は、全関節を同時に動作
させることができるので比較的容易にできるが、ある関
節を固定させて手先で細い作業、例えばネジの締めつけ
等などは、マスターアーム操作機能上難しい。一方、従
来のパワーマニブレータに見られるような個々の関節を
それぞれダイヤルやレバー等を動かして別々に操縦する
方法では、マスターアームの操縦による疲労感がないこ
とや微少な操縦をするとき、また、手先でバルブなどを
他の関節を固定し手首の回転操作により開閉すると作業
性がよい。このような１ケ所ないし数ケ所の関節の操縦
だけですむような作業では都合が艮いものの、広範囲あ
るいは複雑な作菜ではどの関節をどのように操縦しなけ
ればならないかを考えながら操作するため操作寺間が長
くなる。また、２つの関節（肘，屑等）を同時に操縦し
て手先を水平移動させるような作業は極めて困難であつ
た。本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、マスタ
アームの各関節動作位置信号の少なくとも１つの位置信
号に代つてスレーブアームの各関節動作位置を設定でき
るコントロールボツクスを備え、マスタアーム操縦とコ
ントロールボツクス操縦を個々の関節毎に切換えること
により、スレーブアームの作業性の向上と作業範囲の拡
大を図つたサーボマニピユレータを提供することを目的
とする。第２図は本発明の一実施例を示す要部構成図で
ある。２１はマスタアームの位置検出器、２２はコント
ロールボツクスの位置設定器、２３は切換スイツチ２４
によつて位置検出器２１の位置信号又は位置設定器２２
の位置設定信号が選択されて与えられるスレーブアーム
制御入力部であり、この制御入力部は例えば第１図にお
ける比較器５に相当する。However, in the conventional multi-joint master-slave type servo manipulator, its operation is performed only by the master arm. For this reason, tasks such as grasping an object placed in one position and moving it to another position can be done relatively easily because all joints can be moved simultaneously, but it is difficult to grasp an object placed in one position and move it to another position. Work such as tightening screws is difficult due to the master arm operating function. On the other hand, with the method of controlling each joint separately by moving a dial or lever, etc., as seen in conventional power manibrators, there is no feeling of fatigue caused by operating the master arm, and it is difficult to perform small movements. It is easier to open and close valves, etc. with your hands by fixing the other joints and rotating your wrist. Although it is inconvenient for tasks such as this, where only one or a few joints need to be controlled, when working over a wide area or with complicated tasks, it is necessary to consider which joints need to be controlled and how. The temple space becomes longer. In addition, it was extremely difficult to perform tasks such as horizontally moving the hand by simultaneously manipulating two joints (elbow, scrape, etc.). The present invention has been made in view of the above circumstances, and includes a control box that can set each joint movement position of a slave arm in place of at least one position signal of each joint movement position signal of the master arm, and is equipped with a control box that can set the movement position of each joint of the slave arm, and controls the operation and control of the master arm. The object of the present invention is to provide a servo manipulator that improves the workability of a slave arm and expands its working range by switching box control for each individual joint. FIG. 2 is a block diagram of main parts showing an embodiment of the present invention. 21 is a master arm position detector, 22 is a control box position setter, 23 is a changeover switch 24
Depending on the position signal of the position detector 21 or the position setter 22
This is a slave arm control input section to which the position setting signal of is selected and applied, and this control input section corresponds to, for example, the comparator 5 in FIG.

２５は位置補正極性表示器であり、位置検出器２１の位
置信号と位置設定器２２の位置設定信号の相互の差を表
示する。Reference numeral 25 denotes a position correction polarity indicator, which displays the difference between the position signal of the position detector 21 and the position setting signal of the position setter 22.

ここで、位置検出器２１及び位置設定器２２は、例えば
ポテンシヨメータやシンクロ，差動変圧器，エンコーダ
等で実現される。また、切換スイツチ２４は機械的スイ
ツチあるいは半導体アナログスイツチで実現され、作業
内容によりオペレータが各関節毎に適宜切換えられる。
この切換スイツチによる選択において、位置検出器２１
と位置設定器２２の間に信号の偏差があると、スレーブ
アームは選択された信号に追従する急激な動作となつて
把握物体を損傷する恐れがある。Here, the position detector 21 and the position setter 22 are realized by, for example, a potentiometer, a synchronizer, a differential transformer, an encoder, or the like. Further, the changeover switch 24 is realized by a mechanical switch or a semiconductor analog switch, and can be appropriately changed by the operator for each joint depending on the content of the work.
In the selection by this changeover switch, the position detector 21
If there is a signal deviation between the position setter 22 and the position setter 22, the slave arm may make a sudden movement following the selected signal, which may damage the grasped object.

そこで、表示器２５にマスタアームの現在位置とコント
ロールボツクスからの設定値との差を表示しておき、マ
スタアームからコントロールボツクス操縦への切換えに
際して両者の差が十分小さくなるように、コントロール
ボツクスの設定値を合わせておくことで上記の不都合は
解消される。逆に、コントロールボツクスからマスタア
ームの操縦に切り換える場合、おおよそマスタアームの
位置をその時のスレーブアームの位置に一致させ更に切
り換え時のスレーブアーム移動量を小さくする必要があ
る時には、コントロールボツクスの操縦で表示器２５の
極性表示を見ながらマスターの位置と正確に一致させる
ようにすればよい。次に主電源を投入した時、スレーブ
アームの移動量を小さくするためには、その時のスレー
ブアームの位置に設定値をセツトしなければならない。
また作業終了後も定められた位置にもどす必要がある。
この電源投入時のマスターアームの位置設定あるいは、
コントロールボツクスの設定を容易にするための構成を
第３図に示す。同図が第２図と異なる部分は主電源投入
前のスレーブアーム停止位置とコントロールボツクスの
設定値あるいは、マスターアームの現在位置との差を２
５Ａあるいは、２５Ｂの位置補正極性表示器に表示する
構成にある。第３図において、コントロールボツクスに
よる操縦の場合は、表示器２５Ｂの表示に差が十分小さ
くなるように設定した後に電源投入をし、また、マスタ
ーアームの操縦の場合には、２５Ａの表示器に示される
差が十分小さくなるようにマスターアームを操縦した後
に電源を投入する。また動作中にコントロールボツクス
による操縦からマスターアームによる操縦に切り換える
時は極性表示器２５Ａの表示値が十分小さくなるように
、また、逆の場合は、極性表示器２５Ｂｆ）表示値が十
分小さくなるようにマスターアームあるいは、コントロ
ールボツクスの設定値を操作すればスムーズに両者の切
り換えが行なえることはいうまでもない。以上動作中の
マスターアームによる操縦とコントロールボツクスによ
る操縦相互の切り換える場合を第２図で、また、電源投
入時のマスターアームあるいは、コントロールボツクス
から設定の場合を第３図で説明したが、この両方の機能
をもたせた実施例を第４図に示す。Therefore, the difference between the current position of the master arm and the setting value from the control box is displayed on the display 25, and the difference between the two is sufficiently small when switching from master arm to control box operation. The above problem can be resolved by matching the setting values. Conversely, when switching from controlling the control box to controlling the master arm, if it is necessary to roughly match the position of the master arm to the position of the slave arm at that time and further reduce the amount of movement of the slave arm at the time of switching, it is necessary to control the control box by controlling the master arm. All you have to do is watch the polarity display on the display 25 and match the position exactly with the master position. In order to reduce the amount of movement of the slave arm the next time the main power is turned on, a set value must be set to the position of the slave arm at that time.
It is also necessary to return it to the specified position after completing the work.
This setting of the master arm position when the power is turned on or
FIG. 3 shows a configuration for facilitating control box settings. The difference between this figure and Figure 2 is that the difference between the slave arm stop position before the main power is turned on and the setting value of the control box or the current position of the master arm is 2.
It is configured to display on the position correction polarity display of 5A or 25B. In Fig. 3, when controlling with the control box, turn on the power after setting the display on display 25B so that the difference is sufficiently small, and when controlling with the master arm, display on display 25A. Turn on the power after maneuvering the master arm so that the difference shown is sufficiently small. Also, when switching from control box control to master arm control during operation, the display value on the polarity display 25A should be sufficiently small, and in the opposite case, the polarity display 25Bf) display value should be sufficiently small. Needless to say, you can smoothly switch between the two by operating the master arm or control box settings. Above, we have explained in Figure 2 how to switch between operation using the master arm and control box during operation, and in Figure 3 where settings are made from the master arm or control box when the power is turned on. FIG. 4 shows an embodiment that has the function of FIG.

第４図中の表示器２５，２５Ａ，２５Ｂは上記実施例の
ものといずれも同じ機能をもつ位置補正極性表示器であ
つて、これらは先に述べた操縦の切り換え、あるいは電
源投入時の操作に対応してスイツチ等で挿入場所を選択
すれば位置補正極性表示器を必ずしも複数個備える必要
はない。次に位置補正極性表示器の具体的実施例を第５
図により説明する。Indicators 25, 25A, and 25B in FIG. 4 are position correction polarity indicators that have the same functions as those in the above embodiment, and these are used for switching the control described above or for the operation when turning on the power. It is not necessary to provide a plurality of position correction polarity indicators if the insertion location is selected using a switch or the like. Next, a specific example of the position correction polarity indicator will be explained in the fifth section.
This will be explained using figures.

各々、位置補正極性表示器によつて対応しているもの（
例えばマスターアームとコントロールボツクス、またコ
ントロールボツクスとスレーブアーム等）の位置信号ｅ
１とＥ２を突き合せて両者の差を取り、演算増幅器０Ａ
１で増巾しコントロールボツクスの設定値をどちらの力
向に設定すればよいかＬＥＤｌ，ＬＥＤ２の２つの発光
ダイオード（第５図ａの場合）またはＶの中心振り分け
のアナログメータ（第５図ｂの場合）で表示する。こう
した表示器により、コントロールボツクス操縦になつて
いるかマスターアーム操縦になつているかを、コントロ
ールボツクス上各関節ごとに表示することができる。最
後にマスターアームによる操縦範囲とコントロールボツ
クスによる操縦範囲について述べる。Each corresponds to the position correction polarity indicator (
For example, the position signal e of the master arm and control box, or the control box and slave arm, etc.
1 and E2, take the difference between the two, and calculate the operational amplifier 0A.
1, and which force direction should the setting value of the control box be set to? Two light emitting diodes, LED1 and LED2 (in the case of Fig. 5 a), or an analog meter with center distribution of V (in the case of Fig. 5 b) ). With such a display, it is possible to display for each joint on the control box whether the control box is being controlled or the master arm is being controlled. Finally, we will discuss the control range by the master arm and the control box.

マスターアーム操縦はオペレータが腕全体を使用しての
操縦は不可能である。しかし、コントロールボツクス操
縦の場合スレーブ・アームの全動作範囲を操縦可能に調
整できるのでかなり作業範囲が広くなるため、マスター
アームの操縦では、不可能な姿勢、手先位置の設定も可
能である。以上のとおり、本発明によるサーボマニピユ
レータは、個々の関節についてマスタアームによる操縦
とコントロールボツクスによる設定とを任意に切換えで
きるようにしたため、両者の長所を活かした操縦が可能
となり、作業の範囲，速度，精度等に優れ、さらにオペ
レータの操縦姿勢，疲労等の操縦可能において大幅に改
善される。また、位置補正極性表示器を備えることで、
マスタアームによる操縦とコントロールボツクスの設定
による操縦相互の切換え時、あるいは主電源投入時のス
レーブアーム位置の移動変化を最大にでき、狭い場所で
の器具や機器あるいは構造物と衝突の危険なく相互の切
換えや主電源投入をスムーズにできる。Master arm control cannot be performed by the operator using the entire arm. However, in the case of control box operation, the entire operating range of the slave arm can be adjusted so that it can be controlled, so the working range is considerably wider, and it is also possible to set postures and hand positions that are impossible when operating the master arm. As described above, the servo manipulator according to the present invention is capable of arbitrarily switching between control using the master arm and setting using the control box for each joint, making it possible to perform operations that take advantage of the strengths of both, thereby improving the scope of work. It has excellent speed, accuracy, etc., and it also greatly improves maneuverability such as operator control posture and fatigue. In addition, by being equipped with a position correction polarity indicator,
The movement change of the slave arm position can be maximized when switching between control by the master arm and control by setting the control box, or when the main power is turned on. Switching and turning on the main power can be done smoothly.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第１図はマスタ・スレーブ形サーポマニピユレータを説
明するためのプロツク構成図、第２図は本発明の一実施
例を示す要部構成図、第３図及び第４図は本発明の他の
実施例を示す要部構成図、第５図は第２図乃至第４図に
おける表示器２５，２５Ａ，２５Ｂの実施例を示す回路
図である。 １・・・・・・スレーブアーム、２・・・・・・マスタ
アーム、３，４・・・・・・位置検出器、５・・・・・
・比較器、６・・・・・・増幅器、８・・・・・・駆動
装置、２１・・・・・・マスタアーム位置検出器、２２
・・・・・・コントロールボツクス位置設定器、２３・
・・・・・スレーブアーム制御入力部、２４・・・・・
・切換スイツチ、２５，２５Ａ，２５Ｂ・・・・・・位
置補正極性表示器。Fig. 1 is a block diagram for explaining a master-slave type servo manipulator, Fig. 2 is a block diagram of main parts showing an embodiment of the present invention, and Figs. FIG. 5 is a circuit diagram showing an embodiment of the display devices 25, 25A, 25B in FIGS. 2 to 4. 1...Slave arm, 2...Master arm, 3, 4...Position detector, 5...
-Comparator, 6...Amplifier, 8...Driver, 21...Master arm position detector, 22
・・・・・・Control box position setting device, 23・
...Slave arm control input section, 24...
・Selector switch, 25, 25A, 25B...Position correction polarity indicator.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 １ 複数関節を持つマスタアームの操縦により複数関節
のスレーブアームを動作させて物体の把握を行なわせる
マスタ・スレーブ形サーボマニピュレータにおいて、上
記マスタアームの各関節動作位置を夫々検出する複数の
位置検出器と、これら複数の位置検出器の位置検出信号
と該複数の位置検出器に対応づけて有する位置設定器の
位置設定信号とを切換えて上記スレーブアームの当該関
節の位置制御入力とすることができるコントロールボッ
クスとを備えたことを特徴とするマスタ・スレーブ形サ
ーボマニピュレータ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記コントロール
ボックスは上記マスタアーム、スレーブアームの位置検
出信号及び上記位置設定器の位置設定信号の相互の差を
表示する表示器を有するマスタ・スレーブ形サーボマニ
ピュレータ。[Scope of Claims] 1. In a master-slave type servo manipulator that grasps an object by operating a slave arm having multiple joints by manipulating a master arm having multiple joints, the operating position of each joint of the master arm is detected respectively. control the position of the joint of the slave arm by switching between the position detection signals of the plurality of position detectors and the position setting signal of the position setting device associated with the plurality of position detectors; A master/slave type servo manipulator characterized by being equipped with a control box that can be used as an input. 2. In claim 1, the control box is a master-slave type servo manipulator having a display that displays the difference between the position detection signals of the master arm and slave arm and the position setting signal of the position setting device. .