JPS63150170A - Operation type manipulator - Google Patents
Operation type manipulatorInfo
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- JPS63150170A JPS63150170A JP29432986A JP29432986A JPS63150170A JP S63150170 A JPS63150170 A JP S63150170A JP 29432986 A JP29432986 A JP 29432986A JP 29432986 A JP29432986 A JP 29432986A JP S63150170 A JPS63150170 A JP S63150170A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。(57) [Summary] This bulletin contains application data before electronic filing, so abstract data is not recorded.
Description
この発明は、オペレータが操作する指令信号に応じて、
任意の作業を行わせるマニプレータに関する。In accordance with a command signal operated by an operator, this invention
This invention relates to a manipulator that performs arbitrary work.
この種の操作形マニプレータとして、ジョイスティック
方式とマスク・スレープマニプレーク方式が知られてい
る。
第5図にジョイスティックの原理図を示す。図において
、レバー1を左右に傾けるとシャフト3が回転し、これ
をボテフシ9メータ5で検出する。
レバー1の前後の動きはフレーム6全体が傾き、シャフ
ト7が回転してポテンショメータ9で検出される。レバ
ー1を回転させると、直接ポテンショメータ2が動作し
、この角度を検出する。4゜8はそれぞれシャフト3,
7の軸受部であり、フレーム10は適当なところに固定
して使われる。
このように、レバーの前後方向の動きとこれに直交する
左右方向の動きを別個にポテンショメータあるいはエン
コーダなどで検出し、さらに必要に応じてレバーの回転
を付加することにより3自由度の信号を発生する。また
レバーの傾きに応じて、マニプレータの先端位置の速度
あるいはマニプレータを駆動するモータなどの回転速度
を操作することが多い。これによって操作されるマニプ
レータは、手首位置の3次元空間の位置決めと、先端手
首部の姿勢制御のためにそれぞれ3自由度を必要とする
。衝突回避などのため冗長度を有する7自由度以上のマ
ニプレータもあるが、ジョイスティック方式の場合はほ
とんどが6自由度以下に限られる。最も一般的な6自由
度の場合には、前述したジョイスティックを2組使用す
ることになる。
ジョイスティック方式の場合、一定角度に傾けておけば
、その間の時間に応じて、厳密には傾き角の積分量に比
例してマニプレータがその指示された方向に移動する。
具体的には、マニプレータ方程式を解くことにより、各
軸のモータ回転角とマニプレータ先端位置。姿勢の関係
が決まるので、それぞれのモータ回転数を時間の関数と
して制御することにより実行される。
従って、オペレータはジョイスティックを傾げるだけで
、あまり手を動かさないでもマニプレータの到達できる
空間内でマニプレータの位置、姿勢を操作することがで
きるので、操作に要する力も小さくてすみ、疲労度も少
ない。
一方、ジョイスティックで与える信号は速度基準であり
、実際に制御したいマニプレータの動きは位置であるか
ら、この間の対応が直感では得にくく、ある程度の熟練
を必要とする。このことは、換言すれば空間的直感性に
欠けることを意味し、例えばマニプレータ先端で円弧を
描く場合などは、かなりむずかしいことになる。また速
度信号のために、後述する力感覚をジョイスティック機
構にもどしても、位置と力の関係がつかみにくいため、
マニプレータが対象物に接触したことをオペレータに感
知させたり、マニプレータで遠隔的にワーク間のハメア
イやクランク回しなどの動作を行わせたりすることが困
難である、という欠点を有する。
次に第6図で、運動機能の図記号で表したマニプレータ
の構成図を示す。例えば、マスタマニプレータとスレー
ブマニプレータを同形状に作り、さらに簡単のために同
一寸法、同一構造をとらせた場合を考える。第6図でマ
ニプレータは、胴部の回転のための関節11により下胴
部18に対して上胴部19が回転し、肩部の関節12に
より上腕部20が紙面にそって上、下に揺動される。ま
た、封部の関節13により、さらに下腕部21が紙面に
そって揺動する。これにより、先端部17の位置が全空
間に対して位置決めされる。さらに手首部の関節14,
15.16により、手首の姿勢が決定される。
前述した内容の具体的構造を第7図に示す。ここでは、
封部についてのみ説明する。なお、同図(alはマニプ
レータ腕部構造の上面図、同図(b)は別のマニプレー
タ腕部構造の上面図、同図(clは前回(al、 (b
)に共通な同じく側面図である。また、同じ機能の部材
には同じ符号を付しである。
第7図において、上腕部20と下腕部21の関節13は
モータ22の動きにより位置決めされる。23は速度セ
ンサであるタコジェネレータで、ダンピング効果を付与
したりするために用いられ、24は角度センサとしての
エンコーダ、25はモータにとりつけられる減速機であ
る。また場合によっては、26のポテンショメータによ
り角度を検出することもある。27は力センサ部であり
、例えば図のように、モーフ軸とアーム部の間に歪を発
生させるための梁部を設け、ストレンゲージにより関節
部に作用する力を検出する。
前述した部材を用いて、第8図のように制御系を作るこ
とにより、マスク・スレーブとしての位置制御が行われ
る。すなわち、マスク側の操作部31を動かすと、この
動きθ1はマスク側のエンコーダ32で検出され、コン
トローラ33に位置信号として与えられる。これにより
スレーブ側のモータ34が回転し、この動きθ2はスレ
ーブ側のエンコーダ35で検出され、フィードバックさ
れてエンコーダ32からの信号とつき合わされる。なお
T2はスレーブ側の負荷トルクである。
このように、オペレータがマスク側の操作部をにぎり、
所望の方向に移動させ、かつ手首姿勢の位置決めを行う
。つまり、各関節部にポテンショメータあるいはエンコ
ーダなどの角度センサをおき、これを指令信号としてス
レーブ側におかれたモータ回転角を制御してやることに
より、マスクとスレーブとに同一動作を行わせることが
できる。
この場合、マスクとスレーブの対応が明確なため、空間
的直感性にすぐれた操作性の良さを有する。
しかし実際には、マニプレータ重量が直接オペレータに
作用するので、この重量を支える必要がある。もちろん
、機構的に重量のバランスをとることも可能だが、これ
により機構は極めて複雑になる。また、必要な空間範囲
に手を伸ばして操作しなければならないこともオペレー
タの負担となり、疲労の原因となる。しかしマスク・ス
レーブマニプレータ方式には、先に述べたように、力感
覚をオペレータに与える、いわゆるカフィードバックを
とることが容易な利点がある。
次に、位置制御と共に力のフィードバックを付加したマ
スク・スレーブマニプレータのパイラテラル制御につい
て説明する。第9図の構成で、マスタ側の操作部31を
動かすと、エンコーダ32によりその角度θ1が検出さ
れ、この値が位置信号としてコントローラ33に与えら
れる。これにより、スレーブ側のモータ34が回転し、
この動きθ2をスレーブ側のエンコーダ35が検出し、
コントローラ33にフィードバックされて位置制御が行
われる。
このときスレーブ側に力が作用すると、この力の大きさ
を力センサ38が検出し、力の指令信号T2としてコン
トローラ39に与えられる。これによりマスク側のモー
タ36が動作し、指令値になるまで回転する。この力の
大きさをマスク側の力センサ37により検出する(検出
値Tl)ことで、スレーブ側の力をマスク側に伝えるこ
とができる。
すなわち、オペレータがマスク側の操作部を持ち、手首
位置および姿勢を操作すると、それぞれの関節の動きが
角度センサで検出され、これを指令信号としてスレーブ
側の対応する軸のモータの回転角を制御する。なお、ス
レーブの角度センサの出力でフィードバックをとる。こ
れにより、スレーブ側もマスク側と同一の手首の位置お
よび姿勢をとることになる。このとき、スレーブ側が、
その動きを阻害するような障害物に当たると、スレーブ
関節のモータの回転が抑制される。これはトルクセンサ
によりトルク (あるいは力)として検出されるので、
このトルクの値を指令信号として対応するマスク側のモ
ータを回転させ、このモータのトルクがスレーブ側のそ
れと同一になるように制御させる。オペレータはこのト
ルクすなわち力を受けるので、スレーブ側での障害物と
の接触を知り、力を弱める方向にマスク側を動かすこと
になる。これによりスレーブ側の位置も変化し接触をさ
けることが可能となる。
しかし、この力感覚を付加したことにより、常にオペレ
ータにはスレーブ側の力が作用することになる。つまり
、スレーブで重量物を扱うと、こレヲオペレータが直接
負担することになる。また、スレーブの位置、姿勢が変
わるごとにより、重力変化が生じ、この結果もオペレー
タにフィードバンクされることになる。これら重力の影
響によって、直接知りたい、接触などによる力との区別
がつきにくく、したがって感度が低下することになる。
この重力の影響を除くためコンピュータを利用する方法
もあるが、スレーブマニプレータの位置、姿勢により補
正をする必要があり、これには極めて複雑な計算を要し
、コンピュータは大容量のものが必要となる。
以上の説明は、簡単にするため同一形状、同一寸法のも
のについておこなったが、オペレータへの負担を減らず
ため、1〜ルクあるいは力の感度を変えるとか、マスク
とスレーブの寸法を変えるとかするのが普通である。さ
らに形状まで変える場台もあるが、コンピュータで計算
して対応をとる必要があり、さらに複雑なものとなる。
しかし、マスクとスレーブの比は余り大きくとることは
できず、マスク自身が大形にならざるを得ない。このた
め、空間的に制約のある場合は障害になる。
以上のように、操作形マニプレータの代表的な2方式に
は、それぞれの利点と欠点がある。As this type of manipulator, a joystick type and a mask/slave manipulator type are known. Figure 5 shows the principle of the joystick. In the figure, when the lever 1 is tilted to the left or right, the shaft 3 rotates, and this is detected by a bulge meter 5. The back and forth movement of the lever 1 tilts the entire frame 6, rotates the shaft 7, and is detected by the potentiometer 9. When lever 1 is rotated, potentiometer 2 is operated directly to detect this angle. 4゜8 are shaft 3,
7, and the frame 10 is used by being fixed at an appropriate location. In this way, a signal with three degrees of freedom is generated by separately detecting the longitudinal movement of the lever and the horizontal movement perpendicular to this using potentiometers or encoders, and then adding rotation of the lever as necessary. do. Furthermore, depending on the inclination of the lever, the speed at the tip of the manipulator or the rotational speed of the motor that drives the manipulator is often controlled. The manipulator operated by this requires three degrees of freedom for positioning the wrist position in three-dimensional space and controlling the posture of the distal wrist portion. Some manipulators have seven or more degrees of freedom with redundancy for collision avoidance, etc., but most joystick-type manipulators are limited to six degrees of freedom or less. In the most common case of six degrees of freedom, two sets of the aforementioned joysticks would be used. In the case of the joystick method, if the manipulator is tilted at a certain angle, the manipulator will move in the specified direction according to the time in between, strictly speaking in proportion to the integral amount of the tilt angle. Specifically, by solving the manipulator equation, we can calculate the motor rotation angle of each axis and the manipulator tip position. Since the relationship between the postures is determined, this is executed by controlling the rotational speed of each motor as a function of time. Therefore, the operator can manipulate the position and posture of the manipulator within the space that the manipulator can reach without moving his hands much by simply tilting the joystick, so the force required for operation is small and fatigue is low. On the other hand, the signal given by the joystick is based on speed, and the actual movement of the manipulator that is to be controlled is position, so it is difficult to intuitively understand the correspondence between them and requires a certain degree of skill. In other words, this means that spatial intuitiveness is lacking, and for example, it is quite difficult to draw a circular arc with the tip of the manipulator. Also, because of the speed signal, even if the force sensation described later is returned to the joystick mechanism, it is difficult to grasp the relationship between position and force.
This method has the disadvantage that it is difficult for an operator to sense that the manipulator has come into contact with an object, or to have the manipulator remotely perform operations such as fitting between works or turning a crank. Next, FIG. 6 shows a configuration diagram of the manipulator represented by graphical symbols of motor functions. For example, consider a case where the master manipulator and slave manipulator are made to have the same shape, and for the sake of simplicity, have the same size and structure. In FIG. 6, the manipulator rotates the upper body part 19 with respect to the lower body part 18 by the joint 11 for rotation of the body part, and the upper arm part 20 moves upward and downward along the plane of the paper by the shoulder joint 12. be swayed. Further, the lower arm portion 21 further swings along the plane of the paper due to the joint 13 of the sealing portion. Thereby, the position of the tip portion 17 is determined with respect to the entire space. Furthermore, the wrist joint 14,
15.16 determines the wrist posture. The concrete structure of the above-mentioned contents is shown in FIG. here,
Only the seal will be explained. In addition, the same figure (al is a top view of the manipulator arm structure, the same figure (b) is a top view of another manipulator arm structure, the same figure (cl is the previous one (al, (b)
) is also a side view common to both. Further, members having the same function are given the same reference numerals. In FIG. 7, the joints 13 of the upper arm 20 and lower arm 21 are positioned by the movement of a motor 22. As shown in FIG. 23 is a tachogenerator which is a speed sensor and is used to impart a damping effect, 24 is an encoder which is an angle sensor, and 25 is a speed reducer attached to the motor. In some cases, the angle may be detected using 26 potentiometers. Reference numeral 27 denotes a force sensor section, for example, as shown in the figure, a beam section for generating strain is provided between the morph axis and the arm section, and the force acting on the joint section is detected by a strain gauge. By constructing a control system as shown in FIG. 8 using the above-mentioned members, position control as a mask slave is performed. That is, when the operation section 31 on the mask side is moved, this movement θ1 is detected by the encoder 32 on the mask side and is given to the controller 33 as a position signal. This causes the slave-side motor 34 to rotate, and this movement θ2 is detected by the slave-side encoder 35, fed back, and compared with the signal from the encoder 32. Note that T2 is the load torque on the slave side. In this way, the operator grasps the operation part on the mask side,
Move it in the desired direction and position the wrist posture. That is, by placing an angle sensor such as a potentiometer or encoder in each joint and using this as a command signal to control the rotation angle of a motor placed on the slave side, it is possible to cause the mask and slave to perform the same operation. In this case, since the correspondence between the mask and the slave is clear, it has excellent spatial intuitiveness and good operability. However, in reality, the weight of the manipulator acts directly on the operator and it is necessary to support this weight. Of course, it is possible to balance the weight mechanically, but this would make the mechanism extremely complex. Furthermore, having to reach out and operate the required spatial range places a burden on the operator, causing fatigue. However, as mentioned above, the mask slave manipulator system has the advantage that it is easy to provide so-called force feedback, which gives a force sensation to the operator. Next, a description will be given of the bilateral control of the mask/slave manipulator that includes position control and force feedback. In the configuration shown in FIG. 9, when the master-side operating unit 31 is moved, the encoder 32 detects the angle θ1, and this value is given to the controller 33 as a position signal. As a result, the slave side motor 34 rotates,
The encoder 35 on the slave side detects this movement θ2,
It is fed back to the controller 33 and position control is performed. At this time, when a force acts on the slave side, the force sensor 38 detects the magnitude of this force and provides it to the controller 39 as a force command signal T2. This causes the mask-side motor 36 to operate and rotate until the command value is reached. By detecting the magnitude of this force by the force sensor 37 on the mask side (detected value Tl), the force on the slave side can be transmitted to the mask side. In other words, when the operator holds the operation part on the mask side and manipulates the wrist position and posture, the movement of each joint is detected by the angle sensor, and this is used as a command signal to control the rotation angle of the motor of the corresponding axis on the slave side. do. Note that feedback is taken from the output of the slave angle sensor. As a result, the slave side also assumes the same wrist position and posture as the mask side. At this time, the slave side
When the slave joint hits an obstacle that obstructs its movement, the rotation of the motor of the slave joint is suppressed. This is detected as torque (or force) by a torque sensor, so
The motor on the corresponding mask side is rotated using this torque value as a command signal, and the torque of this motor is controlled to be the same as that on the slave side. Since the operator receives this torque or force, he is aware of contact with an obstacle on the slave side and moves the mask side in a direction to weaken the force. This changes the position of the slave side, making it possible to avoid contact. However, by adding this force sensation, the slave-side force always acts on the operator. In other words, if a slave handles a heavy object, the operator of this station will bear the burden directly. Furthermore, each time the position and posture of the slave changes, a change in gravity occurs, and this result is also fed back to the operator. Due to these effects of gravity, it is difficult to distinguish it from forces caused by contact, etc., which we want to know directly, and therefore sensitivity decreases. There is a method of using a computer to eliminate the influence of gravity, but it requires correction depending on the position and orientation of the slave manipulator, which requires extremely complex calculations and requires a large-capacity computer. Become. The above explanation has been given for the same shape and size for simplicity, but in order to avoid reducing the burden on the operator, it is possible to change the sensitivity of 1 to 1 lux or force, or change the dimensions of the mask and slave. is normal. In some cases, even the shape can be changed, but this requires calculations on a computer and is even more complicated. However, the ratio between the mask and the slave cannot be too large, and the mask itself has to be large. Therefore, if there are spatial constraints, this becomes an obstacle. As described above, the two typical types of manipulators have their own advantages and disadvantages.
この発明は、これら2方式の有する欠点をのぞき、両者
の利点の組合わせによる優れた操作形マニプレータを提
供することを目的とする。It is an object of the present invention to eliminate the drawbacks of these two methods and provide an excellent operating manipulator that combines the advantages of both methods.
操作形マニプレータによる作業を分析すると、広い空間
の全域にわたり、任意の軌道を描かせる必要がある場合
よりも、むしろマニプレータ先端を空間のかなり限定さ
れた位置にアブローヂし、その近傍で、しかも限られた
空間内で一連の作業、例えばマニプレータ先端で円弧を
描いたり、クランク回しなどをすることの方が多い。
この発明は、マニプレータ先端の作業点への位置火めは
、ジョイスティック方式、すなわち速度指令による方式
を採用し、実際の作業を行うための、限定された空間内
での位置決めは、マスク・スレーブ方式、すなわち位置
指令によって行うように、同一の操作器の信号を選択的
に切換えて行い、かつ位置指令のときのみ、操作器にカ
フィードバックをかけて操作者に力感覚を付与するよう
にしたものである。
特に、手首姿勢を絶対空間に対して変更しないで、手首
位置をかえながら作業を行う要求は多いが、この場合に
は、スレーブマニプレータの関節部にば力センサを付け
ないで、単にスレーブマニプレータ手首先端にx、y、
z方向の3軸力センサをとりつげ、この力センサの出力
に応じて、操作器内のアクチュエータを駆動することに
より、簡単な構造でしかも複雑な計算なしに操作者に力
感覚を付与することが可能である。
すなわち、この種の作業では、目視により作業対象機器
近傍までマニプレータ先端をジョイスティック方式で位
置決め、あるいは教示再現させることば容易であり、し
かも手首あるいは手首にもたせた工具などのエンドエフ
ェククが何らかの物体に接触した場合は力センサで検出
して、ただちに警報を発するとか、停止させれば良く、
必ずしも操作者に力感覚としてフィードバンクさせる必
要はない。そして、限定された空間内の作業を行うとき
のみマスク・スレーブ方式に切換えて、空間感覚を与え
、かつ力感覚を付加して微妙な作業をさせることが出来
れば十分である。この限られた空間内ではスレーブマニ
プレータの位置そのものは大きく変化しないように限定
してやればマニプレータ位置の変化による重力の変化分
はほとんど無視できるので、計算機により重力補償をす
る必要もなく、作業対象物との接触による力の変化分の
みをとり出してやることにより、十分な感度で操作者に
力感覚を付与できる利点がある。
なお、手首姿勢をかえながら手首位置を移動させる必要
がある場合は、前記操作器にスレーブと同形状の手首機
構を付与し、これにマスク・スレーブともアクチュエー
タと共に位置センサ、力センサを設けることにより、ハ
イラテラルのカフィードバックを手首姿勢の変更におい
ても働かせることが可能である。
この発明のもう一つの要点は、これら速度指令から位置
指令への切換え、さらに速度指令への復帰に際し、ある
いは位置指令中に対象空間の限界に到達したときのマス
ク・スレーブの位置指令感度の変更や、対象空間の延長
に際し、制御対象であるスレープマニプレークに異常指
令が入らないようにすることである。このため、操作器
には中立平衡位置に機械的に復帰するようにスプリング
を設けると共に、中立平衡位置においてのみジョイステ
ィック方式とマスク・スレーブ方式の切換えや感度変更
、動作域の修正までが可能なようにインターロックを付
与するようにしたものである。
ここで、機械的なスプリングによる復帰方式を説明した
が、その目的は、操作器を操作しないとき、すなわち操
作者が中立位置以外で手を離したときや、あやまって切
換スイッチを操作したときに起りうる暴走を防止するた
めである。例えば、グリップ部にリミットスイッチなど
を設け、手を離したときには自動的に中立位置に復帰す
るようにアクチュエータを制御しても良い。また、あや
まってスイッチを操作したときも、いったん中立位置に
復帰させて信号を受けつければ良い。Analyzing the work performed with a manipulator, it is found that rather than requiring an arbitrary trajectory to be drawn over a wide area, the tip of the manipulator is applied to a fairly limited position in the space, and in the vicinity and in a limited area. They often perform a series of tasks in a closed space, such as drawing an arc with the tip of a manipulator or turning a crank. This invention uses a joystick method, that is, a speed command method, to position the tip of the manipulator to the work point, and a mask slave method to position the manipulator tip within a limited space for actual work. , in other words, the signals of the same operating device are selectively switched as in the case of a position command, and only when a position command is given, force feedback is applied to the operating device to give the operator a sense of force. It is. In particular, there are many requests to perform work while changing the wrist position without changing the wrist posture relative to absolute space. x, y, at the tip
By installing a 3-axis force sensor in the z direction and driving an actuator in the operating device according to the output of this force sensor, a force sensation can be given to the operator with a simple structure and without complicated calculations. is possible. In other words, in this type of work, it is easy to visually position the tip of the manipulator close to the work target equipment using a joystick method, or to repeat the teaching, and it is also easy to do so without the need for the end effector, such as the wrist or a tool held on the wrist, to come into contact with some object. If this happens, it can be detected by a force sensor and an alarm can be immediately issued or the system can be stopped.
It is not necessarily necessary to provide the operator with a feedbank as a force sensation. It is sufficient to switch to the mask-slave method only when performing work in a limited space to give a sense of space and add a sense of force to allow delicate work to be performed. Within this limited space, if the position of the slave manipulator itself is limited so that it does not change significantly, changes in gravity due to changes in the manipulator position can be almost ignored, so there is no need to perform gravity compensation using a computer, and the workpiece By extracting only the change in force caused by contact, there is an advantage that the operator can be given a sense of force with sufficient sensitivity. In addition, if it is necessary to move the wrist position while changing the wrist posture, it is possible to add a wrist mechanism with the same shape as the slave to the operation device, and provide an actuator for both the mask and slave, as well as a position sensor and a force sensor. , it is possible to apply high lateral force feedback to changes in wrist posture. Another key point of this invention is changing the position command sensitivity of the mask slave when switching from speed command to position command and returning to speed command, or when reaching the limit of the target space during position command. In addition, when extending the target space, it is necessary to prevent abnormal commands from entering the slave manipulator, which is the control target. For this reason, the actuator is equipped with a spring to mechanically return it to the neutral equilibrium position, and it is also possible to switch between the joystick method and mask slave method, change the sensitivity, and modify the operating range only at the neutral equilibrium position. It is designed to provide an interlock to the Here, we have explained the return method using a mechanical spring, but its purpose is when the operator does not operate the operator, that is, when the operator releases his/her hand at a position other than the neutral position, or when the operator accidentally operates the changeover switch. This is to prevent possible out-of-control behavior. For example, a limit switch or the like may be provided in the grip section, and the actuator may be controlled so that it automatically returns to the neutral position when the grip is released. Also, even if you accidentally operate the switch, all you have to do is return it to the neutral position and accept the signal.
第1図番よ、この発明の実施例の一つを示すもので、同
図(alはこの実施例における操作器の斜視図、同図山
ンは同じく下面図、同図(c)は前回fb) 4こおけ
るA−A断面図である。操作器がX軸スライド部41゜
Y軸スライド部42.Z軸スライド部43が組合わされ
て3自由度の直交座標系を構成するので、それぞれにモ
ータ44,45.46を有し、スライダ47とY軸スラ
イド部42が、スライダ48とZ軸スライド部43がそ
れぞれ接続され、スライダ49にはハンドル50が設け
られている。スライド部41では、フレーム57内にプ
ーリ53がモータ44と組合わされ、他端に別のプーリ
54が軸受56で保持され、2つのプーリ53.54が
タイミングベルトすなわち歯付ベル1−52などで直結
される。そして、これにスライダ47が取り付けられる
。モータ44にはエンコーダ51を組合わせる。さらに
、カフィードバックを行う場合には、図示してない力セ
ンサ((・ルクセンサ)がモータ出力部、例えばプーリ
53に組込まれる。ステイタ4フハ、フレーム57の内
に設けられた軌道にそい、それぞれローラ58,59に
よりスムーズにガイドされる。例えば、ローラ59は3
個以上設け、平行な軌道の各側にそれぞれ接するよ・う
にしてガタをなくす構成になっている。
このような構成において、ハンドル50を把持して動か
すことにより、これらの移動量はエンコーダ51.55
で検出される。ジョイスティック方式の場合は、これら
の移動量は、これに応じてスレーブマニプレータ先端の
X、Y、Z軸方向の速度信号として与えられる。これに
応じて、コントローラでマニプレーク方程式に基づいて
、各軸のモータ44,45.46の回転速度が制御され
る。なお、手首の姿勢は、図示してない別の3自由度ジ
ョイスティックで位置決めされる。これにより作業対象
機器の近傍に位置決めされるから、ハンドル50を元へ
もどす。この点では、後述する中立平衡位置にあるので
、マスク・スレーブ方式に切換える。これによりハンド
ル50を動かすと、この移動量は位置信号として直接エ
ンコーダ51で検出される。したがって、マスクとスレ
ーブの移動比を適当に選ぶことにより、この比に応じて
今度はスレ〜ブマニプレーク先端のx、y、z軸の位置
信号として与えられるので、これら位置信号に基づいて
コントローラは各軸のモータの回転角を制御する。
このとき、スレーブの先端が何かにぶつかると、図示し
てない、3次元力センサによりx、y、z軸の力の分力
が検出されるので、この力を一定の比で拡大、縮小して
、操作器側に設けられたコントローラの力信号とすると
、この値に応じて操作器側のモータが回転させられ、そ
の力をやはり図示してない操作器内の力センサで検出し
て力を制御する。この力はオペレータのハンドルに直接
かえってくるため、オペレータは力が減る方向にハンド
ルを動かすと、位置信号が変化してスレーブマニブレー
クの接触がなくなる方向に、スレーブマニプレータが動
かされることになる。
第2図は、第1図のハンドル部に3自由度のジョイステ
ィック60を設けたもので、直接これにより手首の姿勢
を操作する。その他の構成は第1図と全く同じであり、
同一部材は符号も同一にしである。これにより片方の手
だけで操作することが可能である。この場合も、従来例
を示した第6図の場合と同じように、手首の姿勢を制御
するときにはジョイスティック方式のみで、力のフィー
ドバックはとれない。
第3図は本発明の別の実施例を示す。これは第1図のハ
ンドル部にスレーブマニプレータとほぼ同形状の手首部
62をとりつけたものであり、軸63゜64.65はそ
れぞれ直交しており、それぞれの軸はモータ、カセンサ
、エンコーダなどで構成される。
この場合はスレーブ側の手首部にも力センサが必要であ
る。手首先端位置決め系は手首先端の3次元力センサで
代用しても良い。この場合、オペレータがハンドルを操
作するとき、手首の姿勢と手首先端位置を同時に変更す
ることが可能である。
なお、この方式では、手首姿勢をジョイスティック方式
に切換えることは、実際の作業を考えたときは余り意味
がないので、手首位置決めのみをジョイスティック方式
とマスク・スレーブ方式に切換え、手首姿勢は常にマス
ク・スレーブ方式とする方が良い。この辺については全
く第1図と重複することになるので説明は省略する。
次に第4図において、本実施例のジョイスティック方式
、マスク・スレーブ方式の切換えに関する例を説明する
。第4図の構成は第1図のものとほぼ同じであり、同じ
部材は同一符号で示しである。x、y、z軸スライド部
にそれぞれ新たに取付板66が設けられ、中央のものは
スライダ48に両端のものはフレーム57(第1図(C
)参照)に直接とりつけられ、その間にスプリング69
が平衡位置でバランスするように選ばれ設けられている
。67は平衡位置を検出する近接センサであり、高周波
発振型センサでも機械的なマイクロスインチでも良い。
68はタイミングベルト52に設けられたドグで、平衡
位置でセンサ67に検出されるように取り付けられる。
70はハンドル50に設けられた把持スイッチであり、
オペレータがハンドル50から手をはずしたことを検出
する。
図の構成のとき、ジョイスティックで操作し、平衡位置
から移動させ必要なところに位置決めされると、必ず平
衡位置にもどされるので、この点テマスク・スレーブ方
式へと図示してないスイッチを切換える。そして、一連
の動作が終了したらまたアームを元の位置へもどす。し
かし、このとき必ずしも平衡点にある訳でないので、そ
の点でジョイスティック方式にすると暴走することが考
えられる。従って、ジョイスティック方式に切換えてし
まってもコントローラ内で、いったん平衡位置へ戻して
、この点を検出してからジョイスティック方式で動作す
るようにインターロック機能をつける。これは、センサ
とモータで自動的に行わせることも出来るし、または、
いったん手を離して、把持スイッチ70で検出し、モー
タにより平衡位置に戻して切換スイッチを操作できるよ
うにしても良い。また、図のように機械的にスプリング
で復帰させても良い。いずれにしろ、平衡点検出センサ
がONのときのみ切換えることが可能とする必要がある
。これは、マスク・スレーブ方式で操作中に限界位置に
達して、新たな平衡点を設定して操作を続けるとか、位
置の比を変更するとかの場合でも必ず必要である。Figure 1 shows one of the embodiments of the present invention, and the same figure (al is a perspective view of the operating device in this embodiment, the figure numeral is the same bottom view, and the same figure (c) is the previous one. fb) It is a sectional view taken along line A-A at 4 points. The operating device is an X-axis slide part 41° and a Y-axis slide part 42. Since the Z-axis slide section 43 is combined to form an orthogonal coordinate system with three degrees of freedom, each has a motor 44, 45, 46, and the slider 47 and the Y-axis slide section 42 are connected to the slider 48 and the Z-axis slide section. 43 are connected to each other, and the slider 49 is provided with a handle 50. In the sliding part 41, a pulley 53 is combined with a motor 44 in a frame 57, another pulley 54 is held at the other end by a bearing 56, and two pulleys 53 and 54 are connected to a timing belt, that is, a toothed bell 1-52, etc. Directly connected. Then, a slider 47 is attached to this. An encoder 51 is combined with the motor 44. Furthermore, when performing feedback, a force sensor (lux sensor) not shown is incorporated into the motor output section, for example, the pulley 53. It is smoothly guided by rollers 58 and 59. For example, roller 59 is
The structure is such that more than one of them are provided, and each side of the parallel track is in contact with the other to eliminate looseness. In such a configuration, by grasping and moving the handle 50, these movement amounts are determined by the encoders 51, 55.
Detected in In the case of the joystick method, these movement amounts are given as speed signals in the X, Y, and Z axis directions of the tip of the slave manipulator. Accordingly, the controller controls the rotational speed of the motors 44, 45, and 46 for each axis based on the maniplane equation. Note that the posture of the wrist is determined by another three-degree-of-freedom joystick (not shown). This positions the user near the equipment to be worked on, and then returns the handle 50 to its original position. At this point, the system is at a neutral equilibrium position, which will be described later, so the system is switched to the mask slave system. When the handle 50 is thereby moved, the amount of movement is directly detected by the encoder 51 as a position signal. Therefore, by appropriately selecting the movement ratio of the mask and the slave, position signals for the x, y, and z axes of the tip of the slave manifold are given according to this ratio. Based on these position signals, the controller Controls the rotation angle of the shaft motor. At this time, when the tip of the slave collides with something, a three-dimensional force sensor (not shown) detects the components of the force in the x, y, and z axes, and this force is magnified or reduced at a fixed ratio. If this is the force signal from the controller installed on the controller side, the motor on the controller side will be rotated according to this value, and the force will be detected by a force sensor inside the controller (not shown). Control power. This force is directly returned to the operator's handle, so when the operator moves the handle in a direction where the force decreases, the position signal changes and the slave manipulator is moved in a direction where the slave manibrake is no longer in contact. In FIG. 2, a joystick 60 with three degrees of freedom is provided on the handle portion of FIG. 1, and the posture of the wrist is directly controlled by this joystick 60. The other configurations are exactly the same as in Figure 1,
Identical members have the same reference numerals. This allows operation with only one hand. In this case, as in the case of FIG. 6 showing the conventional example, when controlling the posture of the wrist, only the joystick method is used, and force feedback cannot be taken. FIG. 3 shows another embodiment of the invention. This is a wrist part 62 that has almost the same shape as the slave manipulator attached to the handle part shown in Fig. 1, and the axes 63° and 64.65 are perpendicular to each other, and each axis is connected to a motor, a sensor, an encoder, etc. configured. In this case, a force sensor is also required on the wrist of the slave. The wrist tip positioning system may be replaced by a three-dimensional force sensor at the wrist tip. In this case, when the operator operates the handle, it is possible to simultaneously change the posture of the wrist and the position of the tip of the wrist. In addition, in this method, switching the wrist posture to the joystick method has little meaning when considering actual work, so only the wrist positioning is switched between the joystick method and the mask slave method, and the wrist posture is always controlled by the mask slave method. It is better to use the slave method. Since this part is completely the same as that in FIG. 1, the explanation will be omitted. Next, referring to FIG. 4, an example of switching between the joystick method and the mask/slave method of this embodiment will be explained. The configuration of FIG. 4 is substantially the same as that of FIG. 1, and the same members are designated by the same reference numerals. Mounting plates 66 are newly provided on each of the x, y, and z axis slide sections, and the one in the center is attached to the slider 48, and the ones at both ends are attached to the frame 57 (Fig. 1 (C).
)) between which the spring 69 is attached.
are selected and provided so that they are balanced at an equilibrium position. A proximity sensor 67 detects the equilibrium position, and may be a high frequency oscillation type sensor or a mechanical microsinch. Reference numeral 68 denotes a dog provided on the timing belt 52, and is attached so as to be detected by the sensor 67 at the equilibrium position. 70 is a grip switch provided on the handle 50;
It is detected that the operator has removed his hand from the handle 50. In the configuration shown in the figure, if you operate the joystick and move it from the equilibrium position and position it at the required position, it will always return to the equilibrium position, so at this point a switch (not shown) is switched to the mask/slave system. Then, once the series of movements is complete, return the arm to its original position. However, since it is not necessarily at an equilibrium point at this time, if the joystick method is used at that point, it is possible that the system will run out of control. Therefore, even if the controller switches to the joystick method, an interlock function is provided so that the controller returns to the equilibrium position, detects this point, and then operates the joystick method. This can be done automatically with sensors and motors, or
It is also possible to remove the hand, detect it with the grip switch 70, and return it to the equilibrium position by the motor so that the changeover switch can be operated. Alternatively, it may be returned mechanically with a spring as shown in the figure. In any case, it is necessary to enable switching only when the equilibrium point detection sensor is ON. This is necessary even when a limit position is reached during mask-slave operation and a new equilibrium point is set to continue operation or the position ratio is changed.
この発明によれば、操作器の指令信号を速度指令として
スレーブマニプレータの手首位置を作業対象の近傍に位
置決めし、作業対象の限定された空間では位置信号に切
換えて、操作器とスレーブマニブレークの空間的直感性
を付与し、同時にカフィードバックによりオペレータに
力感覚を付与することを可能ならしめることにより、操
作性を向上すると共に、マスク・スレーブ方式のオペレ
ータにかかる負担を軽減したり、限定された空間では平
衡位置の力を基準として、変化分のみをフィードバック
することにより、スレーブマニプレータの位置変化に伴
う重力補正を不要として、複雑な計算なしに力の感度保
持をすることが可能となる。
また、スレーブ手首におかれた3軸力センサ信号により
スレーブ手首位置の位置決め用操作器のアクチュエータ
を制御してカフィードバンクを行うことにより、スレー
ブ各軸のアクチュエータ部に力センサをとりつけた場合
よりも簡単な構成で力感覚を付与することが可能となる
。
さらに、操作器ハンドル部にジョイスティックを設ける
ことにより、片手で手首姿勢および手首位置の制御が可
能となる。同様に、ハンドル部に手首を設け、スレーブ
手首部と同様にそれぞれアクチュエータ、力1位置各セ
ンサで構成することにより、手首姿勢1手首位置を片手
で制御し、かつすべてに力感覚を付加することが可能で
ある。
本発明の別の効果として、この操作器を直交座標系にす
ることにより、最も空間的直感性にすぐれ、かつ変換の
計算も単純なものにすることが可能である。
また、操作器の平衡位置センサ、ハンドル部の把持セン
サにより、オペレータが不用意に手を離したり、あやま
って操作方式を選択したり、変更したりしたときでも、
必ずハンドル部がいったん平衡位置に来るようにするこ
とにより、スレーブマニプレータが暴走したりすること
を防止することが可能である。
なお、本発明の操作器としては直交座標形の例を示した
が、必ずしもこの座標系に限定されるものでなく、極座
標形でも、円筒座標形でもそれぞれコントローラで計算
する式の差はあるものの、いずれに適用しても本発明の
効果を制約するものではない。
また、アクチュエータはモータとタイミングベルトの組
合わせのものを示したが、これについても例えば、油圧
シリンダとサーボ弁の組合わせで、流量、圧力を制御し
て位置決めおよびカフィードバックを行うことができる
。その他空気圧でも、またリニアアクチュエータとして
フォースコイル形(動電形)としても同様な効果がある
。
また、操作器側の力センサとして3軸のモータ部それぞ
れに力センサあるいはトルクセンサを設ける構成につい
て説明したが、操作器ハンドル部にスレーブ手首におか
れた3軸カセンサを設け、これを介してハンドルを操作
する構成とすることも可能で、同様の効果が得られる。According to this invention, the command signal of the operating device is used as a speed command to position the wrist of the slave manipulator in the vicinity of the work object, and in the limited space of the work object, the command signal is switched to a position signal to control the operation device and the slave manibrake. By providing spatial intuitiveness and at the same time making it possible to provide the operator with a sense of force through force feedback, operability is improved, and the burden placed on the operator of the mask slave method is reduced and limited. In a space where the force at the equilibrium position is used as a reference, by feeding back only the change, it is possible to eliminate the need for gravity correction due to a change in the position of the slave manipulator, and to maintain force sensitivity without complicated calculations. In addition, by controlling the actuator of the positioning device of the slave wrist position using the 3-axis force sensor signal placed on the slave wrist and performing the feed bank, it is possible to perform force feed banking by controlling the actuator of the actuator for positioning the slave wrist position. It is also possible to impart a sense of force with a simple configuration. Furthermore, by providing a joystick on the handle of the operating device, it becomes possible to control the wrist posture and position with one hand. Similarly, by providing a wrist in the handle part and configuring it with an actuator and a sensor for each force and position, as with the slave wrist, it is possible to control the wrist posture and position with one hand, and add a force sensation to all. is possible. Another advantage of the present invention is that by using the operating device in an orthogonal coordinate system, it is possible to achieve the best spatial intuitiveness and to simplify calculation of transformation. In addition, the equilibrium position sensor on the operating device and the grip sensor on the handle allow the operator to easily remove his/her hand or accidentally select or change the operating method.
By ensuring that the handle portion once reaches the equilibrium position, it is possible to prevent the slave manipulator from running out of control. Although an example of a rectangular coordinate system is shown as an operating device of the present invention, it is not necessarily limited to this coordinate system, and although there are differences in the formulas calculated by the controller in polar coordinate system and cylindrical coordinate system, However, the effect of the present invention is not limited even if it is applied to any of the above. Although the actuator is shown as a combination of a motor and a timing belt, for example, a combination of a hydraulic cylinder and a servo valve can be used to control flow rate and pressure to perform positioning and feedback. Similar effects can be obtained by using other pneumatic actuators, or by using a force coil type (electrodynamic type) as a linear actuator. In addition, we have explained a configuration in which a force sensor or a torque sensor is provided for each of the three axes of the motor as a force sensor on the operating device side. A configuration in which the handle is operated is also possible, and the same effect can be obtained.
第1図は本発明の操作器を示し、同図(alはその斜視
図、同図fblはその下面図、同図(C)は前図(bl
のA−A断面図、
第2図は本発明の別の実施例である操作器の斜視図、
第3図は本発明のさらに別の実施例を示す操作器の斜視
図、
第4図は本発明のまたさらに別の実施例を示す操作器の
構成図、
第5図は従来のジョイスティックを示し、同図(alは
その平面図、同図(b)はその側面図、第6図は従来の
マニプレータの、運動機能の図記号で表した構成図、
第7図は従来のマニプレータの腕部構造を示し、同図(
alは−マニプレータの腕部構造の上面図、同図0))
は別のマニプレータの腕部構造の上面図、同図(C)は
前図(a)、 (b)に共通な側面図、第8図は従来の
マスク・スレーブのユニラテラル制御の構成図、
第9図は従来のマスク・スレーブのパイラテラル制御の
構成図である。
符号説明
4L42,43 ニスライド部、44145146
:モータ、47.48,49 ニスライダ、50,61
:ハンドル、51.55 Fエンコーダ、52:
タイミングベルト、53.54 :プーリ、57:フ
レーム、58.59 :ローラ、60:ジョイスティ
ック、62:手首部、63:回転軸、64,65 :
揺動軸、66:取付台、67:近接センサ、68:ドグ
、69ニスプリング、70:把持スイッチ。
第1記 (a)
兆1辺(c)
怒
3つ
31 、 3834″TI′r2
、)、)
保7図
第9閏FIG. 1 shows the operating device of the present invention, (al is a perspective view, fbl is a bottom view, and
2 is a perspective view of an operating device according to another embodiment of the present invention. FIG. 3 is a perspective view of an operating device showing yet another embodiment of the present invention. A configuration diagram of an operating device showing still another embodiment of the present invention, FIG. 5 shows a conventional joystick, and FIG. Figure 7 shows the structure of a conventional manipulator using graphical symbols representing its motor functions.
al is - Top view of the arm structure of the manipulator, same figure 0))
is a top view of the arm structure of another manipulator, FIG. 8 (C) is a side view common to the previous figures (a) and (b), and FIG. FIG. 9 is a block diagram of conventional mask slave bilateral control. Code explanation 4L42, 43 Nishlide part, 44145146
: Motor, 47, 48, 49 Nislider, 50, 61
: Handle, 51.55 F encoder, 52:
Timing belt, 53.54: Pulley, 57: Frame, 58.59: Roller, 60: Joystick, 62: Wrist, 63: Rotating shaft, 64, 65:
Swing axis, 66: Mounting base, 67: Proximity sensor, 68: Dog, 69 Spring, 70: Grip switch. Part 1 (a) Trillion 1 side (c) Anger 3 31, 3834″TI'r2, ),) Ho 7 Figure 9th leap
Claims (1)
、力センサを具備したマニプレータとを備え、前記操作
器から出力される指令信号によって作業を行わせる操作
形マニプレータにおいて、前記指令信号は、速度指令あ
るいは位置指令に選択的に切換えられ、かつ前記指令信
号が位置指令のときのみ、前記力センサの出力に基づい
て、前記アクチュエータを制御して力をフィードバック
するように成したことを特徴とする操作形マニプレータ
。 2)特許請求の範囲第1項記載の操作形マニプレータに
おいて、力センサは3軸方向それぞれの力を検出する3
軸力センサであり、かつ操作器のアクチュエータは前記
3軸方向に対応する3軸を有し、前記3軸方向それぞれ
の力を指令信号として、前記アクチュエータを制御する
ことを特徴とする操作形マニプレータ。 3)特許請求の範囲第2項記載の操作形マニプレータに
おいて、操作器のハンドル部に手首姿勢制御用3自由度
ジョイスティックを設けたことを特徴とする操作形マニ
プレータ。 4)特許請求の範囲第2項記載の操作形マニプレータに
おいて、スレーブマニプレータ手首部と同様の構成であ
って、アクチュエータと位置センサとを、あるいはアク
チュエータと位置センサと力センサとを具備した3自由
度の手首部を操作器のハンドル部に設けたことを特徴と
する操作形マニプレータ。 5)特許請求の範囲第1項記載の操作形マニプレータに
おいて、アクチュエータと位置センサとを、あるいはア
クチュエータと位置センサと力センサとを具備した、直
交した3軸のスライド部を操作器に設けたことを特徴と
する操作形マニプレータ。 6)特許請求の範囲第1項記載の操作形マニプレータに
おいて、互いに独立なる3軸にそれぞれ対応する平衡位
置検出センサを操作器に、把持センサをハンドル部にそ
れぞれ設けて、前記把持センサの出力がONあるいはO
FFのときは、平衡位置に前記ハンドル部を復帰させ、
かつ前記平衡位置検出センサが前記ハンドル部が平衡位
置にあることを検出したときのみ、マニプレータの動作
範囲、力センサの感度切換え、あるいは指令信号の速度
信号と位置指令の切換えが行えるように成したことを特
徴とする操作形マニプレータ。[Scope of Claims] 1) An operating type manipulator comprising an operating device including an actuator and a handle portion, and a manipulator including a force sensor, and which performs a work according to a command signal output from the operating device, The command signal is selectively switched to a speed command or a position command, and only when the command signal is a position command, the actuator is controlled and the force is fed back based on the output of the force sensor. An operation type manipulator characterized by the following. 2) In the manipulator according to claim 1, the force sensor detects force in each of three axial directions.
An operation type manipulator which is an axial force sensor, and wherein an actuator of the operation device has three axes corresponding to the three axis directions, and the actuator is controlled using forces in each of the three axis directions as a command signal. . 3) The manipulator according to claim 2, characterized in that a three-degree-of-freedom joystick for wrist posture control is provided on the handle portion of the manipulator. 4) In the manipulator according to claim 2, the manipulator has the same configuration as the wrist of the slave manipulator, and includes an actuator and a position sensor, or an actuator, a position sensor, and a force sensor. An operating type manipulator characterized in that a wrist portion of the controller is provided in a handle portion of the operating device. 5) In the operating manipulator according to claim 1, the operating device is provided with an orthogonal three-axis sliding section that includes an actuator and a position sensor, or an actuator, a position sensor, and a force sensor. An operable manipulator featuring: 6) In the manipulator according to claim 1, an equilibrium position detection sensor corresponding to each of the three mutually independent axes is provided on the operating device, and a gripping sensor is provided on the handle portion, and the output of the gripping sensor is ON or O
When FF, return the handle to the equilibrium position,
And only when the equilibrium position detection sensor detects that the handle portion is in the equilibrium position, the operating range of the manipulator, the sensitivity of the force sensor, or the command signal can be switched between the speed signal and the position command. An operation type manipulator characterized by the following.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29432986A JPS63150170A (en) | 1986-12-10 | 1986-12-10 | Operation type manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP29432986A JPS63150170A (en) | 1986-12-10 | 1986-12-10 | Operation type manipulator |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPS63150170A true JPS63150170A (en) | 1988-06-22 |
JPH0445305B2 JPH0445305B2 (en) | 1992-07-24 |
Family
ID=17806289
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP29432986A Granted JPS63150170A (en) | 1986-12-10 | 1986-12-10 | Operation type manipulator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPS63150170A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPH02139183A (en) * | 1988-11-16 | 1990-05-29 | Hitachi Ltd | Controller for master slave manipurator |
JPH07227783A (en) * | 1994-02-15 | 1995-08-29 | Shimadzu Corp | Multidirection control joystick |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5072375A (en) * | 1973-10-31 | 1975-06-14 |
-
1986
- 1986-12-10 JP JP29432986A patent/JPS63150170A/en active Granted
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JPS5072375A (en) * | 1973-10-31 | 1975-06-14 |
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JPH07227783A (en) * | 1994-02-15 | 1995-08-29 | Shimadzu Corp | Multidirection control joystick |
Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPH0445305B2 (en) | 1992-07-24 |
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