WO2011115287A1 - マスタスレーブシステム及びその制御方法 - Google Patents
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- B25J3/00—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements
- B25J3/04—Manipulators of master-slave type, i.e. both controlling unit and controlled unit perform corresponding spatial movements involving servo mechanisms
Definitions
- the present invention relates to a master / slave system and its control method.
- FIG. 7 shows an example mechanical master-slave system 20.
- the operator U, the master robot M, and the slave robot S interconnected with the master robot M are mechanically coupled and interlocked.
- MC represents a mechanical connection between the master robot M and the slave robot S
- E represents an environment where the working end of the slave robot S is placed
- G represents a grip serving as the operation end of the master robot M.
- the mechanism design is free from geometric constraints between the operator U, the master robot M, and the slave robot S.
- the master robot M and the slave robot S are electrically interconnected, and the operator U
- the main type is an electrical type in which the input interface on the side and the output interface on the robot side are mechanically separated.
- the electric type is flexible by software or electrical means and can be designed flexibly. For example, safety is ensured so that the operator cannot enter the movable range of the high-power actuator. Easy system can be constructed.
- FIG. 6 is a conceptual diagram of the upper limb power amplification master / slave system.
- the upper limb power amplification master / slave system 1 ′ includes a master robot M and a slave robot S.
- Each of the robot arms M and S has a grip G as a manipulation end and a work end d on one end side, and the other end side is provided at a different position on the trunk B.
- Each of the robot arms M and S has two links, one end connected to the grip G or the work end d, the other end connected to the trunk B, and a connecting portion between the links.
- these joints or grips G are provided with displacement sensors Pm 1 to 3 and Ps 1 to 3 , actuators As 1 to 3 , as necessary, depending on the control method applied.
- Am 1 to 3 and a work force sensor Fs or an operation force sensor Fm are provided. The control method to be applied will be explained in order.
- Non-Patent Document 7 points out that there is no 6-axis force sensor that can withstand the output of the backhoe.
- the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6, a hardware configuration in which a multi-axis force sensor is provided on the slave robot S side is not desirable.
- the master robot M has a human movable range scale, but the slave robot S is a relatively large scale suitable for high output.
- the target value from the master M side is merely sent to the trajectory control means PCs that performs the trajectory control of the slave S without placing a control system on the M side.
- PCs that performs the trajectory control of the slave S without placing a control system on the M side.
- Pm is a master displacement sensor
- Ps is a slave displacement sensor
- As is a slave actuator
- G is a grip held by an operator
- d is a working end. Therefore, when the master-slave system as a power amplification robot as shown in FIG. 6 is an electric master-slave system, bilateral control in which the work status on the slave S side is transmitted to the operator U as a force sense is inevitably applied. Will be.
- Equation (1) relates to the master robot side and Equation (2) relates to the slave robot side.
- the master operating force that the operator applies to the end of the master robot is f m (t)
- the slave working force that the slave end applies to the environment is f s (t).
- q m (t), q s (t) are master displacement and slave displacement
- ⁇ m (t), ⁇ s (t) are master driving force or slave driving force for driving the master robot M or slave robot S
- f m (t), f s (t)... are n-dimensional vectors (hereinafter the same).
- M m (q m ) and M s (q s ) are inertia matrices
- J m (q m ) and J s (q s ) are Jacobian matrices, and these Jacobian matrices are regular.
- the trajectory control means PCm and PCs are arranged on both the master M side and the slave S side, and the position and speed of the robot on the other side are determined.
- a closed-loop system is configured to achieve the target value. This is called because the same orbit control system is arranged symmetrically on the master side and slave side.
- the symmetric type does not require a force sensor required for the following force reverse feed type and force feedback type bilateral control 32 and 33, and is a control method with good properties in terms of stability.
- Am is a master actuator.
- the control law for example, if P control in the work coordinate system is used, it is as follows.
- Equation (3) relates to the master robot side and Equation (4) relates to the slave robot side.
- ⁇ m ⁇ m (x s , x m ) means that the master driving force ⁇ m is a function of the slave displacement x s and the master displacement x m
- ⁇ s ⁇ s (x m , x s ) means that the slave driving force ⁇ s is a function of the master displacement x m and the slave displacement x s .
- the force reverse feed type bilateral master-slave system 32 shown in FIG. 10 is configured so that the slave robot S is trajectory-controlled using the position and speed of the master robot M as a target value.
- slave working force f s which corresponds to the contact force between the detected environment robot S side is conveyed backward to the master robot M side is a method of driving a master robot M.
- the slave robot S terminal to the master robot M side with working force sensor Fs for measuring the slave working force f s is provided provided with a driving force control means FCm, the slave working force f s to the master robot M side It is configured to be “reflected” to the master driving force ⁇ m at this point.
- the slave robot S is linked to the master robot M. This suggests that the slave robot S moves according to the dynamic characteristics, that is, the dynamics of the master robot M.
- the control law of the master robot M is as follows. Note that the control law of the slave robot S is the same as that in Expression (4).
- the master operating force f m is also affected by the dynamics of the master robot M at the same magnification, and the slave working force f s of the slave robot S is S f ⁇ 1. Reduced to double.
- C Force-feedback bilateral control
- the force-feedback bilateral master-slave system 33 shown in FIG. 11 controls the trajectory of the slave robot S with the position and speed of the master robot M as target values.
- the master robot M is force-controlled using a slave work force f s corresponding to the contact force with the environment detected on the side as a target value.
- the difference from the force reverse feed type 32 is that an operating force sensor Fm is also provided on the master robot M side, and there is a closed loop that feeds back an error from the force target.
- the master It is understood that the mechanism transparency of the entire slave system is improved.
- the control law of the master robot M is as follows.
- K f is an n-by-n diagonal matrix representing a force control gain.
- the control law of the slave robot S is the same as that in Expression (4).
- ⁇ m ⁇ m (f s , f m) that is a master driving force tau m indicates that a function of the slave work force f s and the master operating force f m.
- the operator U has to become less aware that the operation of the slave robot S is performed in consideration of the dynamics of the slave robot S, and suddenly the operator U has a relatively large output and a large slave robot.
- Even S may give the illusion that it works with the dynamics of the relatively small output master robot M in his or her hand, and the tendency Point such as seen strongly was a problem. That is, in a master-slave system in which a relatively small output master robot M and a relatively large output large slave robot S are electrically interconnected, the structure is the same or different. Naturally, the dynamics of the master robot M and the slave robot S are significantly different. For example, the inertia, friction, movable range, and other dynamic characteristics of the slave robot S are much larger than those of the master robot M.
- the bilateral master-slave systems 32 and 33 that return the contact force or the touch of the object to the operator. Furthermore, even if a tough force sensor that can withstand the harsh use of a large slave robot with such a relatively large output is obtained, the bilateral master slave called the force reverse feed type or the force feedback type Since the systems 32 and 33 have the following problems, it is difficult to apply to a master-slave system in which a relatively small output master robot is operated to operate a large slave robot with a relatively large output. There was also a problem. That is, in the force reverse feed type or force feedback type bilateral master-slave systems 32 and 33 shown in FIGS. 10 and 11, the slave robot S is provided with the work force sensor Fs.
- the output of the slave robot's working force sensor Fs fluctuates, and there is a possibility that a closed loop may be formed such that the master driving force ⁇ m is generated, the master displacement x m changes, and so on.
- a closed loop Once such a closed loop is constructed, the unintended motion or vibration of the slave robot S increases unless the separated state between the operator U and the master robot M is eliminated and an appropriate operation is applied.
- the slave robot S may run away and cause danger to the surroundings. Also in this case, there is a high possibility that the stability of the control system cannot be maintained.
- Katsuoka Kanaoka “A Study on the Effect of Man-Machine Synergy in Atypical Heavy Work”, Proceedings of the 11th Construction Robot Symposium, pp. 119-124, 2008.
- Katsuoka Kanaoka “Introduction to Power Amplification Robot System Design: To Realize Synergy between Humans and Machines Based on Mechanical Interaction”, Journal of the Robotics Society of Japan, 26, 3, pp. 255-258, 2008.
- Yokoko Yasuyoshi “Theory of Master / Slave Control”, Journal of the Robotics Society of Japan, 11, 6, pp. 794-802, 1993.
- the present invention provides a master-slave system that controls a slave robot with a relatively large output that is electrically connected to the operator by operating the master robot with a relatively small output. It is an object of the present invention to provide a master-slave system that allows intuitive control as if it is directly held, and that does not require a force sensor on the slave robot side, and a control method therefor.
- an admittance-type force sense presentation device that generates a master drive force by receiving a displacement or speed input and presents a force sense to the operator, and the master robot is operated with an operation force applied to the master robot by the operator. It consists of an operating force sensor to detect, a master displacement sensor to detect the displacement of the master robot, and a master actuator that drives the master robot based on the master displacement and the slave displacement.
- the slave robot detects the displacement of the slave robot.
- the master-slave system of the present invention that can solve the above-described problems includes (1) a master robot that is an admittance type force sense manipulation device operated by an operator, and a slave robot that is at least electrically connected to the master robot.
- a bilaterally controlled master-slave system comprising: at least one master displacement sensor for detecting master displacement in the master robot; at least one slave displacement sensor for detecting slave displacement in the slave robot; and the master At least one master actuator for generating a master driving force for driving the robot; at least one slave actuator for generating a slave driving force for driving the slave robot; and a mass applied by the operator to the master robot.
- At least one operating force sensor for detecting an operating force, wherein the slave actuator generates the slave driving force based on the master operating force, while the master actuator is based on the master displacement and the slave displacement. The master driving force is generated.
- control method of the master-slave system of the present invention comprises (2) a master robot that is an admittance type force sense presentation device operated by an operator, and a slave robot that is at least electrically connected to the master robot.
- a bilaterally controlled master-slave system control method comprising: detecting at least one operation force sensor a master operation force applied by the operator to the master robot; and at least one slave actuator to perform the master operation. Generating a slave driving force for the slave robot based on the force; detecting a master displacement of the master robot by at least one master displacement sensor; and further detecting a slave displacement of the slave robot by at least one slave displacement sensor.
- a step of generating a master driving force for the master robot based on the master displacement and the slave displacement by at least one master actuator and presenting a sense of force to the operator is characterized by this.
- operation and “maneuvering” are properly used.
- “Operation” is used in a local case where the person / operation to be operated is focused.
- “steering” is used when the entire action including not only the person who operates the robot but also the operated robot is considered. Therefore, in this specification, the operator operates the master robot, and the operator controls the slave robot.
- Power amplification robot as used in this specification is a device that is generally understood as a power assist robot.
- the “master / slave system” refers to an integrated system including a master robot and a slave robot as well as a control device for controlling these.
- “dynamics” indicates a comprehensive concept including all dynamic characteristics such as inertia, friction, and centrifugal force.
- “different structure” refers to a master robot and a slave robot that constitute a master-slave system having different geometric structures (see FIG. 5). The master robot and the slave robot constituting the slave system indicate the same geometric structure.
- master-slave system 10 shown in FIG. 5 d represents the working end of the slave robot S, and G represents the operating end of the master robot M serving as an interface with the operator U.
- admittance type means that a master robot operated by an operator outputs a master operating force received from the operator, while receiving a displacement or speed input to generate a master driving force to generate the master driving force. It is assumed that a force sense presentation is indicated (see FIG. 4).
- the “impedance type” is the opposite, in the master robot operated by the operator, while outputting the master displacement or speed, the master driving force is generated by receiving the force input, and the operator senses force. It shall indicate what is to be presented.
- the impedance type or admittance type is a concept used in the field of virtual reality and is rarely used for a master-slave system.
- the “mechanism transparency” in this specification is a concept mainly used in the field of wearable robots and master-slave systems. This is because “the dynamics (dynamics) of the robot mechanism worn or operated by the robot operator is apparent to the operator (in terms of kinematics), and the wrinkles are transparent (as if there is nothing. ) "Feel”.
- the operator in a master-slave system in which a relatively high-power slave robot is controlled by an operator by manipulating a relatively low-power master robot, the operator can feel as if the robot is a slave robot. It is possible to provide a master-slave system and a control method therefor that enable intuitive operation as if the robot is directly held and that does not require a force sensor on the slave robot side. According to the present invention, the slave robot can be operated according to the slave dynamics, and at the same time, the master robot is interlocked with the slave robot. It becomes possible to provide.
- FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a master-slave system of the present invention.
- FIG. 2 is a conceptual diagram of a limb power amplification master / slave system according to another embodiment of the master / slave system of the present invention.
- FIG. 3 is a conceptual diagram of a limb power amplification master / slave system according to still another embodiment of the master / slave system of the present invention.
- FIG. 4 is a diagram illustrating the difference in concept between impedance-type force sense presentation and admittance-type force sense presentation.
- FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a different-structure master-slave manipulator.
- FIG. 6 is a conceptual diagram of the upper limb power amplification master / slave system.
- FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a master-slave system of the present invention.
- FIG. 2 is a conceptual diagram of a limb power amplification master / slave system according to another embodiment of the master / slave system of the present invention.
- FIG. 7 is a conceptual diagram of a mechanical master / slave system.
- FIG. 8 is a conceptual diagram showing the unilateral control.
- FIG. 9 is a conceptual diagram showing symmetric bilateral control.
- FIG. 10 is a conceptual diagram showing the force reverse feed type bilateral control.
- FIG. 11 is a conceptual diagram showing the force feedback type bilateral control.
- FIG. 12 is a conceptual diagram showing a general expression of the control system of the master / slave system.
- FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of a master-slave system according to the present invention.
- FIG. 1 may be considered as an application of the present invention to the upper limb power amplification master-slave system previously shown in FIG.
- the surface difference between the master-slave system of the present invention shown in FIG. 1 and the upper limb power amplification master-slave system shown in FIG. 6 will be pointed out.
- the work force sensor illustrated as Fs at the work end d is not necessary in this embodiment, and it should be noted that the work force sensor is not shown in FIG.
- the operating force to measure the operating force f m to the master robot M-terminal G the sensor Fm disposed is to "projecting" operation force f m to the slave robot S in the slave driving force to the side tau s.
- a force projection type bilateral control or bilateral master-slave system such referred to as a force projection type bilateral control or bilateral master-slave system, and this term is used as needed.
- the force progressive bilateral master-slave system 1 is provided at different positions of the trunk B and is electrically connected to each other in the following manner. It consists of M and slave robot S.
- the master robot M is an admittance type force sense presentation device operated by the operator U.
- Each of the master robot M and the slave robot S has a grip G as an operation end and a work end d on one end side, and the other end side is provided at a different position on the trunk B.
- Each of the master robot M and the slave robot S has two links, one end connected to the grip G or the work end d, the other end connected to the trunk B, and the link.
- the grip G is provided with an operation force sensor Fm.
- the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present embodiment is provided with trajectory control means PCm on the master robot M side and driving force control means FCs on the slave robot S side.
- the sensor and the actuator are electrically connected.
- Operation force sensor Fm is provided in the master robot M side, it detects the master operation force f m from the operator U. In this embodiment, it is provided on the grip G of the master robot M.
- the slave actuators Ps 1 to 3 are provided at the respective joints of the slave robot S, and generate the slave driving force ⁇ s through the slave driving force control means FCs based on the signal from the operation force sensor Fm.
- Master displacement sensors Pm 1 ⁇ 3 is provided at each joint of the master robot M, detects the master displacement x m.
- the slave displacement sensor Ps 1 ⁇ 3 is provided at each joint of the slave robot S, detects a slave displacement x s.
- the master actuators Am 1 to 3 are provided at each joint of the master robot M, and generate a master driving force ⁇ m based on the master displacement x m and the slave displacement x s .
- the master actuators Am 1 to 3 generate the master driving force ⁇ m through the trajectory control means PCm based on the difference between the signals from the master displacement sensors Pm 1 to 3 and the slave displacement sensors Ps 1 to 3 .
- the force progressive die bilateral master slave system 1 is driven by a slave actuator Ps 1 ⁇ 3 for the slave robot S that generates a slave driving force tau s based on the master operating force f m
- the master robot M is driven by master actuators Am 1 to 3 that generate a master driving force ⁇ m based on an error generated between the master displacement x m and the slave displacement x s .
- the force progressive feed type which comprises the master robot M, which is an admittance type force sense presentation device operated by an operator, and the slave robot S electrically connected to the master robot M, whose schematic configuration has been described above.
- the bilateral master-slave system 1 detecting a master operating force f m from the operator U by i) provided in the master robot M side operation force sensor Fm, ii) generating a slave driving force ⁇ s by slave actuators As 1 to 3 provided in the slave robot S based on a signal from the operation force sensor Fm; iii) detecting a master displacement x m by master displacement sensors Pm 1 to 3 provided in the master robot M; iv) detecting a slave displacement x s by slave displacement sensors Ps 1 to 3 provided in the slave robot S; v) Master displacement sensors Pm 1 ⁇ 3 and the slave displacement sensor Ps 1 ⁇ generating a master driving force tau m by the master actuator Am 1 ⁇ 3 for generating a master driving force
- Equation (10) relates to the master robot side and Equation (11) relates to the slave robot side.
- ⁇ s ⁇ s (f That is, m 2 ) represents that the slave driving force ⁇ s is a function of the master operating force f m .
- the master operating force f m is reduced by the influence of the dynamics of the slave robot S and the slave working force f s of the slave robot S by S f ⁇ 1. Been added. If the scale factor Sf is multiplied on both sides of the above equation (12), the following equation (13) is derived.
- the scale factor S f itself is as described above, and the presence of the scale factor S f allows the operator to become “powerful and get a sense of operating the slave robot and further the target object”. It becomes possible. In terms of the control law, the scale factor S f can be regarded as a so-called power.
- this is a bilateral master-slave system based on the power amplification concept disclosed in Non-Patent Document 2 or 8, in which "the operation force is amplified by Sf times and the slave terminal is directly operated".
- the sense is reversely transmitted by the master actuators Am 1 to 3 that generate the master driving force ⁇ m based on the slave displacement x s and the master displacement x m. Is done.
- the operation force f m of the master robot M side is by human power
- the working power on the slave robot S side is a large output.
- the impact force from the environment can be avoided on the master robot M side, but the impact force from the environment is unavoidable on the slave robot S side. That is, the conditions on the master robot M side are appropriate for the multi-axis force sensor, but the slave robot S side is inferior. Therefore, said 1.
- This feature is suitable for a master-slave system as a power amplification robot illustrated in FIG. 1 or FIG. In addition, 2. And 3. This feature is important from the viewpoint of man-machine synergy as described below.
- the operator U mainly matches the operation input to the mechanical impedance of the master robot M and the dynamics controlled by the environment. .
- the slave robot S and the dynamics controlled by the environment are matched.
- the force reverse feed type or force feedback type bilateral master-slave system 32, 33 has an operator U Matches the operation input to the “cycle in which you can easily walk on the master device (or do not ride on anything)”, but this is forced to follow the non-matching walking cycle for the slave device.
- bilateral master-slave system 31-33 and 1 of the four mentioned above are driven only by an external force -f s.
- the following equations (14) to (16) are obtained.
- the slave robot S receives an external force, it is under the influence of the dynamics of the master robot M, which is only an operating device.
- the master-slave system will work.
- the master-slave system When applied, it should be recognized as a very important performance factor.
- the master-slave system is not excessively moved by an external force.
- the slave robot S is interlocked with the master robot M" according to the equation (4).
- External force -f s master robot M by is moved (see formula (14) to (16)) and also in conjunction slave robot S, whereby an external force -f s is changed. This contributes to destabilization of the master / slave system.
- the force progressive die bilateral master slave system 1 of the present invention shown in FIG. 1 the master robot M which manipulated by the operator U, while outputting a master operating force f m received from the operator U, It is an admittance type force sense presentation device that generates a master drive force ⁇ m by receiving a displacement or speed input and presents a force sense to the operator. That is, as shown in FIG. 4, when viewed from the master robot M side, it can be said that the force progressive bilateral master-slave system 1 according to the present invention is an admittance type force sense presentation. Unlike this, in the force reverse feed type or force feedback type bilateral master-slave systems 32 and 33 shown in FIG.
- the master robot M is an impedance type force sense presentation device (see FIG. 4).
- impedance-type force sense presentation the master robot M can be operated and input from any part of the apparatus.
- the slave robot S can not present a force sense unless it is a reaction force from the work force sensor Fs portion. That is, the operator U must perform work using a part other than the work force sensor Fs portion of the slave robot S without a sense of force, and may not be able to recognize contact with the environment other than the work force sensor Fs part. is there.
- the force progressive bilateral master-slave system 1 uses the master robot M as an admittance type force sense presentation device, a reaction force from any part of the slave robot S can be presented to the master robot M. it can.
- an operation input to the master robot M by the operator U is performed from the operation force sensor Fm portion.
- FIG. 12 is a conceptual diagram showing a general expression of the control system of the master / slave system.
- the master actuators Am 1 to 3 generate the master driving force ⁇ m based on an error generated between the master displacement x m and the slave displacement x s.
- the control may be performed to generate the master driving force ⁇ m based on an amount other than an error, for example, a differential amount of displacement.
- the number of master or slave actuators and the number of master or slave displacement sensors are not limited to the numbers described in the above embodiments. In the above description of the embodiment, only displacement and driving force are described.
- the displacement is not limited to translational displacement, but may be generalized displacement that allows a mixture of rotational displacements
- the driving force is not limited to translational force. It may be a generalized driving force that allows a mixture of torques.
- the force progressive bilateral master-slave system operates at least an electrically connected slave robot at least electrically by an operator operating a relatively small output master robot.
- the present invention can be used for a master-slave system.
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Abstract
バイラテラル制御されるマスタスレーブシステム1であって、マスタロボットMをアドミッタンス型の力覚提示装置とし、マスタロボットMの変位を検出するマスタ変位センサPmと、スレーブロボットSの変位を検出するスレーブ変位センサPsと、マスタロボットMを駆動するマスタアクチュエータAmと、スレーブロボットSを駆動するスレーブアクチュエータAsと、操作者UがマスタロボットMに加える操作力を検出する操作力センサFmと、からなるものとする。
Description
本発明はマスタスレーブシステム及びその制御方法に関する。
いわゆるマスタスレーブシステムは、マスタロボットとスレーブロボットとが機械式に結合し、連動する機械式のものを発端に、現在に至っている。
図7に、一例となる機械式マスタスレーブシステム20を示す。このシステムでは、操作者UとマスタロボットM、そしてマスタロボットMと相互接続されたスレーブロボットSとは機械的に結合し、連動している。図7において、MCはマスタロボットMとスレーブロボットSとの機械的接続を、EはスレーブロボットSの作業端が置かれた環境を、GはマスタロボットMの操作端となるグリップを表している。このように機械的に結合する場合、操作者Uがダイレクトな操作感を得られるという長所もあるが、操作者UとマスタロボットM、そしてスレーブロボットSとの幾何学的拘束から機構設計の自由が制限されると共に、異常時における安全確保に難があるといった短所も存在する。
そこで、そのような機械的に結合した機械式マスタスレーブシステム20の有用性は依然認めつつも、現在においては、マスタロボットMとスレーブロボットSとが電気的に相互接続されており、操作者U側の入力インターフェースとロボット側の出力インターフェースが機械的には分離している電気式のものが主流となっている。
一般的に、電気式とすれば、ソフトウェア的或いは電気的手段によって融通が利き、柔軟に機構設計できるほか、例えば、大出力のアクチュエータの可動範囲に操作者を入れないような、安全を確保しやすいシステムを構築することができる。
このような特長をもつ電気式マスタスレーブシステムは、遠隔操作を主なアプリケーションとして発展した歴史から、これまでは、位置若しくは力の再現性、機構透明性、或いは通信時間遅れへの対処等を主眼として研究がなされてきた(下記非特許文献3~6参照)。
しかし、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを考えると、その視点は変化する。以下にその一端を列挙する。
図6は、上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。この上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’は、マスタロボットMとスレーブロボットSとからなっている。各ロボットアームM,Sは、一端側にそれぞれ操作端となるグリップGと作業端dを有していると共に、他端側が体幹Bの異なる位置に備えられている。また、各ロボットアームM,Sは2本のリンクを有していると共に、グリップG或いは作業端dに接続される一端側、体幹Bに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。電気式マスタスレーブシステムの場合では、これらの関節或いはグリップGには、適用される制御法にもよるが、必要に応じて変位センサPm1~3及びPs1~3、アクチュエータAs1~3、さらにはAm1~3、そして、作業力センサFs或いは操作力センサFmが備えられる。適用されるべき制御法についてはこれから順を追って説明する。
ここで、操作者UとマスタロボットM、そしてマスタロボットMと相互接続されるスレーブロボットSとが機械的に結合し、連動しているいわゆる機械式のものについては、制御系が正常に稼働している限り、高増幅率の人間パワー増幅が可能であることが既に示されている(下記非特許文献1~2参照)。
i)はじめに、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、マスタスレーブそれぞれの末端は機械的に分離していても体幹は同一の機械システム上にあることを前提とするため、通信時間遅れはないと考えてよい。
ii)また、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、操作者Uとロボットの相乗効果のためには操作者Uの身体スキルをパワー増幅した上でロボットの動特性すなわちダイナミクスに投射することが求められる(下記非特許文献2参照)。これは、次に説明するこれまでの電気式マスタスレーブシステムが追求してきたダイナミクスを「消す」機構透明性という考え方が、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてはむしろ馴染まないことを示唆する。
iii)さらに、図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においては、スレーブロボットS側に比較的大出力のアクチュエータAs1~3が配置される。実装上、スレーブロボットS側はこの大出力に耐えられるハードウェアでなければならない。
しかし、一般に多軸力センサは繊細かつ高価である。例えば、下記非特許文献7ではバックホウの出力に耐えられる6軸力センサが存在しないことが指摘されている。
このように、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、多軸力センサをスレーブロボットS側に備えるようなハードウェア構成は望ましくない。
iv)最後に、例えば図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においては、マスタロボットMは人間の可動範囲のスケールを持つが、スレーブロボットSは大出力に相応しい、比較的大型のスケールであることが予想される。
マスタ、スレーブが同構造か異構造かにかかわらず、減速比やスケール効果によるマスタ、スレーブ間のダイナミクスの相違が必ずしも無視できないことを認識しておかなければならない。
[基本的なバイラテラル制御]
では、上に示したi)~iv)の視点を踏まえ、現在、電気式マスタスレーブシステムの代表として認識されている基本的なバイラテラル制御を列挙し、対比を通じて利害得失を説明する。以下、(a)対称型、(b)力逆送型、そして(c)力帰還型の3例について順次説明する。
なお、電気式マスタスレーブシステムとして、図8に例示されるようなユニラテラル制御30を適用したものも挙げることは可能ではあるが、これはバイラテラル制御に対して、図8に示すようにマスタM側に制御系を置かず単にマスタM側からの目標値をスレーブSの軌道制御を行う軌道制御手段PCsに送るだけのものであり、例えスレーブS側が環境の何かと接触しても操作者Uには力感覚を通してはその状況が伝わらないものである。
図8において、Pmはマスタ変位センサ、Psはスレーブ変位センサ、Asはスレーブアクチュエータ、Gは操作者により把持されるグリップ、dは作業端である。
したがって、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを電気式マスタスレーブシステムとするにあたっては、スレーブS側の作業状況が力感覚として操作者Uに伝えられるバイラテラル制御が必然的に適用されることとなる。
まず、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムの運動方程式を以下のように定める。式(1)がマスタロボット側、式(2)がスレーブロボット側に係るものである。
時刻tにおいて、操作者がマスタロボット末端に加えるマスタ操作力をfm(t)、スレーブ末端が環境に加えるスレーブ作業力をfs(t)とする。qm(t)、qs(t)はマスタ変位とスレーブ変位、τm(t)、τs(t)はマスタロボットM或いはスレーブロボットSを駆動するマスタ駆動力或いはスレーブ駆動力、そして、
は慣性以外の効果を集約した剰余項であるとする。
ここで、マスタロボットM及びスレーブロボットSがn自由度ロボットとすると、以上fm(t)、fs(t)・・・はそれぞれn次元ベクトルである(以下、同様とする)。
また、Mm(qm)、Ms(qs)は慣性行列、Jm(qm)、Js(qs)はヤコビ行列であり、これらのヤコビ行列は正則であるとする。ただしこれらは説明を簡単にするための仮定であり、本発明はマスタロボットとスレーブロボットの自由度数が異なっても、ロボットの自由度数と作業座標系の次元数が異なっても、またヤコビ行列が正則でなくても、問題なく適用できるものである。
また、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを取り扱うに際しては、変位と力のスケーリングを行なう。マスタからスレーブへの変位と力のスケール比をそれぞれSp、Sfとする。なおSp、Sfはn行n列の対角行列である。
(a)対称型バイラテラル制御
図9に示すように、対称型バイラテラル制御においてはマスタM側及びスレーブS側双方に軌道制御手段PCm、PCsを配置し、相手側のロボットの位置・速度が目標値となるような閉ループ系を構成している。同じ軌道制御系がマスタ側とスレーブ側で対称に配置されているのでこう呼ばれている。対称型は、以下の力逆送型や力帰還型バイラテラル制御32,33では必要な力センサを必要とせず、さらに安定性の意味でも性質の良い制御法である。図9において、Amはマスタアクチュエータである。
制御則に関しては、例えば作業座標系におけるP制御を用いれば以下のようになる。
xm(t)、xs(t)はそれぞれマスタ或いはスレーブ末端の作業座標系での位置[n次元ベクトル]、KpはP制御ゲインを表すn行n列の対角行列である。
式(3)がマスタロボット側、式(4)がスレーブロボット側に係るものである。
ここで、τm=τm(xs,xm)とはすなわち、マスタ駆動力τmはスレーブ変位xsとマスタ変位xmとの関数であることを表し、τs=τs(xm,xs)とはすなわち、スレーブ駆動力τsはマスタ変位xmとスレーブ変位xsとの関数であることを表している。
そして、式(1)~(4)から次式を得る。
式(5)の右辺第1項及び第2項からも分かる通り、マスタ操作力fmにはマスタロボットMのダイナミクスの影響が等倍で加わると共に、スレーブロボットSのダイナミクスの影響とスレーブロボットSのスレーブ作業力fsがSf
−1倍に縮小されて加わる。
すなわち、この対称型バイラテラル制御においては制御系の構成上、操作者が感じる見かけの慣性は、マスタロボットMの慣性にスレーブロボットSの慣性が重畳されるため操作感が重くなりがちであるほか、スレーブロボットSからマスタロボットMへの力フィードバックを位置制御系の偏差信号に頼るのでマスタ、スレーブ両ロボットの駆動系の摩擦の影響を受けやすいと言った問題があった。
(b)力逆送型バイラテラル制御
図10に示す力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32は、マスタロボットMの位置・速度を目標値として、スレーブロボットSが軌道制御されると同時に、スレーブロボットS側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力fsがマスタロボットM側に逆送されてマスタロボットMを駆動する方式である。そのため、スレーブロボットS末端にはスレーブ作業力fsを計測する作業力センサFsが備えられると共にマスタロボットM側には駆動力制御手段FCmが備えられ、スレーブ作業力fsをマスタロボットM側に於けるマスタ駆動力τmへ「反射」させる様構成されている。
力逆送型の場合、スレーブロボットSはマスタロボットMに連動する。これは、スレーブロボットSがマスタロボットMの動特性すなわちダイナミクスに従って動くと言うことを示唆するものである。これについては次に説明する力帰還型の場合でも同様である。
ここで、マスタロボットMの制御則は次の通りとなる。なおスレーブロボットSの制御則は式(4)と同じである。
ここで、τm=τm(fs)とはすなわち、マスタ駆動力τmはスレーブ作業力fsの関数であることを表している。
そして、式(1)と式(6)から次式を得る。
式(7)の右辺第1項からも分かる通り、マスタ操作力fmにはマスタロボットMのダイナミクスの影響がやはり等倍で加わり、またスレーブロボットSのスレーブ作業力fsはSf
−1倍に縮小される。
(c)力帰還型バイラテラル制御
図11に示す力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33は、マスタロボットMの位置・速度を目標値として、スレーブロボットSが軌道制御されると同時に、スレーブロボットS側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力fsを目標値としてマスタロボットMが力制御される方式である。力逆送型32との違いは、マスタロボットM側にも操作力センサFmが備えられ、力目標との誤差を帰還する閉ループが存在することである。この力帰還ループの追加により、力感度等が向上し、マスタロボットMそしてスレーブロボットSの見かけの慣性が小さくなって操作感が向上する様構成されている。
以上の一連の説明から明らかな通り、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31から、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33へと構成要件が増すにしたがって、マスタスレーブシステム全体の機構透明性の向上が図られていることが理解される。
ここで、マスタロボットMの制御則は次の通りとなる。Kfは力制御ゲインを表すn行n列の対角行列である。なおスレーブロボットSの制御則は式(4)と同じである。
ここで、τm=τm(fs,fm)とはすなわち、マスタ駆動力τmはスレーブ作業力fsとマスタ操作力fmとの関数であることを表している。
そして、式(1)と式(8)から次式を得る。なお、Iは単位行列である。
式(9)の右辺第1項及び第2項からも分かる通り、Kfを十分大きくすればマスタロボットMのダイナミクスの影響は無視出来る程に小さくなり、スレーブロボットSのスレーブ作業力fsのみがSf
−1倍に縮小されて加わることとなる。
ところで、前記(5)式、(7)式、そして(9)式といった様に対称型マスタスレーブシステム31、力逆送型マスタスレーブシステム32、そして力帰還型マスタスレーブシステム33へと機構透明性を高めるに従い、操作者Uは恰も「対象物(だけ)を直接操作している」様な感覚で以てマスタスレーブシステムを操作することが出来る様になる一方で、例えば(9)式にも現れている様に、操作者UにとってはスレーブロボットSのダイナミクスに配慮した操作を行う、といった意識が稀薄にならざるを得ず、いきおい、操作者Uに、比較的大出力で大型のスレーブロボットSであっても、彼若しくは彼女の手許にある比較的小出力のマスタロボットMのダイナミクスで以て動作するものだという錯覚を与えかねない、またその傾向が強く見られるといった点は問題であった。
すなわち、比較的小出力のマスタロボットMと比較的大出力で大型のスレーブロボットSとが電気的に相互接続されてなるマスタスレーブシステムにおいては、同構造であるか異構造であるかにかかわらずマスタロボットMのダイナミクスとスレーブロボットSのダイナミクスは当然大きく相違し、例えば、スレーブロボットSの慣性や摩擦、可動範囲その他の動特性はマスタロボットMと比較して格段に大きなものとなっている。
その様な前提の下で、スレーブロボットSのダイナミクスを何らかのかたちで操作者Uに伝達しないことは、操作者Uに対してスレーブロボットSのダイナミクスに配慮した適切な操作をさせることを阻害する要因ともなり、マスタスレーブシステムの制御系を検討する際にマンマシンインタフェースの性能の一つとして対応すべき問題であった。
また、そのような比較的大出力で大型のスレーブロボットを想定した場合に於いては、時には劣悪な環境の下に晒され過大な負荷が掛けられるといったスレーブロボットの過酷な使用に耐え得る強靱な力センサを入手し、これをスレーブロボットに備えることは現実的にも非常に困難であり、そうすると、既存の力逆送型、或いは力帰還型と言ったスレーブロボット側で検出された環境との接触力或いは対象物の感触を操作者に還すバイラテラルマスタスレーブシステム32,33の適用も難しいという問題があった。
さらに、仮にその様な比較的大出力で大型のスレーブロボットの過酷な使用に耐え得る強靱な力センサが得られたとしても、前記力逆送型、或いは力帰還型と言ったバイラテラルマスタスレーブシステム32,33には次のような問題が存する以上、比較的小出力のマスタロボットを操作して比較的大出力で大型のスレーブロボットを操縦する様なマスタスレーブシステムには適用が困難と言った問題もあった。
すなわち、図10及び11に示す力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33においてはスレーブロボットSに作業力センサFsが備えられるところ、例えば、操作者UがマスタロボットMに備えられた操縦桿であるグリップGから手を離してマスタロボットMと離間してしまった状態(fm=0)でスレーブロボットSが外力−fsによって無理矢理駆動されると言った状況を想定した場合、スレーブロボットSに備えられた作業力センサFs出力に基づきマスタロボットM側にマスタ駆動力τmが伝わった際、それがマスタ位置・速度に反映されることとなる。そうすると、そのようなマスタ変位xmが、今度はスレーブロボットS側に伝わってしまい、その結果、マスタ変位xmに基づきスレーブロボットS側にスレーブ駆動力τsが伝わってスレーブロボットSが駆動され、スレーブロボットの作業力センサFs出力が変動するきっかけをもたらし、再びマスタ駆動力τm発生、マスタ変位xm変化・・・と言った具合に閉ループが構成される虞が生じる。その様な閉ループが一旦構成されてしまうと、操作者UとマスタロボットMとの離間状態を解消して適切な操作を加えない限り、スレーブロボットSの、意図しない動作或いは振動が増大し、最悪の場合、スレーブロボットSが暴走して周囲に危険を及ぼす可能性があった。この場合も、制御系として安定性が保たれない虞が高かったのである。
これらの危険性或いは周囲に与える影響は特に、スレーブロボットが比較的大出力で大型の場合には大きく、大型であればある程、甚大な被害を周囲に与えかねない危険性を孕んでいると言った問題があった。
すなわち、前記した諸問題は、操作者が安心して操作でき、そしてスレーブロボットの周囲に対しても安心を与えることができるマスタスレーブシステムを提供するに際して必ず解決すべき課題である。
ところが、現在に至るまで、これらの諸問題に着目し、そしてそれを正面から解決した例はこれまで世の中に存在しなかった。
図7に、一例となる機械式マスタスレーブシステム20を示す。このシステムでは、操作者UとマスタロボットM、そしてマスタロボットMと相互接続されたスレーブロボットSとは機械的に結合し、連動している。図7において、MCはマスタロボットMとスレーブロボットSとの機械的接続を、EはスレーブロボットSの作業端が置かれた環境を、GはマスタロボットMの操作端となるグリップを表している。このように機械的に結合する場合、操作者Uがダイレクトな操作感を得られるという長所もあるが、操作者UとマスタロボットM、そしてスレーブロボットSとの幾何学的拘束から機構設計の自由が制限されると共に、異常時における安全確保に難があるといった短所も存在する。
そこで、そのような機械的に結合した機械式マスタスレーブシステム20の有用性は依然認めつつも、現在においては、マスタロボットMとスレーブロボットSとが電気的に相互接続されており、操作者U側の入力インターフェースとロボット側の出力インターフェースが機械的には分離している電気式のものが主流となっている。
一般的に、電気式とすれば、ソフトウェア的或いは電気的手段によって融通が利き、柔軟に機構設計できるほか、例えば、大出力のアクチュエータの可動範囲に操作者を入れないような、安全を確保しやすいシステムを構築することができる。
このような特長をもつ電気式マスタスレーブシステムは、遠隔操作を主なアプリケーションとして発展した歴史から、これまでは、位置若しくは力の再現性、機構透明性、或いは通信時間遅れへの対処等を主眼として研究がなされてきた(下記非特許文献3~6参照)。
しかし、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを考えると、その視点は変化する。以下にその一端を列挙する。
図6は、上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。この上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’は、マスタロボットMとスレーブロボットSとからなっている。各ロボットアームM,Sは、一端側にそれぞれ操作端となるグリップGと作業端dを有していると共に、他端側が体幹Bの異なる位置に備えられている。また、各ロボットアームM,Sは2本のリンクを有していると共に、グリップG或いは作業端dに接続される一端側、体幹Bに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。電気式マスタスレーブシステムの場合では、これらの関節或いはグリップGには、適用される制御法にもよるが、必要に応じて変位センサPm1~3及びPs1~3、アクチュエータAs1~3、さらにはAm1~3、そして、作業力センサFs或いは操作力センサFmが備えられる。適用されるべき制御法についてはこれから順を追って説明する。
ここで、操作者UとマスタロボットM、そしてマスタロボットMと相互接続されるスレーブロボットSとが機械的に結合し、連動しているいわゆる機械式のものについては、制御系が正常に稼働している限り、高増幅率の人間パワー増幅が可能であることが既に示されている(下記非特許文献1~2参照)。
i)はじめに、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、マスタスレーブそれぞれの末端は機械的に分離していても体幹は同一の機械システム上にあることを前提とするため、通信時間遅れはないと考えてよい。
ii)また、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、操作者Uとロボットの相乗効果のためには操作者Uの身体スキルをパワー増幅した上でロボットの動特性すなわちダイナミクスに投射することが求められる(下記非特許文献2参照)。これは、次に説明するこれまでの電気式マスタスレーブシステムが追求してきたダイナミクスを「消す」機構透明性という考え方が、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてはむしろ馴染まないことを示唆する。
iii)さらに、図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においては、スレーブロボットS側に比較的大出力のアクチュエータAs1~3が配置される。実装上、スレーブロボットS側はこの大出力に耐えられるハードウェアでなければならない。
しかし、一般に多軸力センサは繊細かつ高価である。例えば、下記非特許文献7ではバックホウの出力に耐えられる6軸力センサが存在しないことが指摘されている。
このように、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、多軸力センサをスレーブロボットS側に備えるようなハードウェア構成は望ましくない。
iv)最後に、例えば図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においては、マスタロボットMは人間の可動範囲のスケールを持つが、スレーブロボットSは大出力に相応しい、比較的大型のスケールであることが予想される。
マスタ、スレーブが同構造か異構造かにかかわらず、減速比やスケール効果によるマスタ、スレーブ間のダイナミクスの相違が必ずしも無視できないことを認識しておかなければならない。
[基本的なバイラテラル制御]
では、上に示したi)~iv)の視点を踏まえ、現在、電気式マスタスレーブシステムの代表として認識されている基本的なバイラテラル制御を列挙し、対比を通じて利害得失を説明する。以下、(a)対称型、(b)力逆送型、そして(c)力帰還型の3例について順次説明する。
なお、電気式マスタスレーブシステムとして、図8に例示されるようなユニラテラル制御30を適用したものも挙げることは可能ではあるが、これはバイラテラル制御に対して、図8に示すようにマスタM側に制御系を置かず単にマスタM側からの目標値をスレーブSの軌道制御を行う軌道制御手段PCsに送るだけのものであり、例えスレーブS側が環境の何かと接触しても操作者Uには力感覚を通してはその状況が伝わらないものである。
図8において、Pmはマスタ変位センサ、Psはスレーブ変位センサ、Asはスレーブアクチュエータ、Gは操作者により把持されるグリップ、dは作業端である。
したがって、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを電気式マスタスレーブシステムとするにあたっては、スレーブS側の作業状況が力感覚として操作者Uに伝えられるバイラテラル制御が必然的に適用されることとなる。
まず、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムの運動方程式を以下のように定める。式(1)がマスタロボット側、式(2)がスレーブロボット側に係るものである。
ここで、マスタロボットM及びスレーブロボットSがn自由度ロボットとすると、以上fm(t)、fs(t)・・・はそれぞれn次元ベクトルである(以下、同様とする)。
また、Mm(qm)、Ms(qs)は慣性行列、Jm(qm)、Js(qs)はヤコビ行列であり、これらのヤコビ行列は正則であるとする。ただしこれらは説明を簡単にするための仮定であり、本発明はマスタロボットとスレーブロボットの自由度数が異なっても、ロボットの自由度数と作業座標系の次元数が異なっても、またヤコビ行列が正則でなくても、問題なく適用できるものである。
また、図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを取り扱うに際しては、変位と力のスケーリングを行なう。マスタからスレーブへの変位と力のスケール比をそれぞれSp、Sfとする。なおSp、Sfはn行n列の対角行列である。
(a)対称型バイラテラル制御
図9に示すように、対称型バイラテラル制御においてはマスタM側及びスレーブS側双方に軌道制御手段PCm、PCsを配置し、相手側のロボットの位置・速度が目標値となるような閉ループ系を構成している。同じ軌道制御系がマスタ側とスレーブ側で対称に配置されているのでこう呼ばれている。対称型は、以下の力逆送型や力帰還型バイラテラル制御32,33では必要な力センサを必要とせず、さらに安定性の意味でも性質の良い制御法である。図9において、Amはマスタアクチュエータである。
制御則に関しては、例えば作業座標系におけるP制御を用いれば以下のようになる。
xm(t)、xs(t)はそれぞれマスタ或いはスレーブ末端の作業座標系での位置[n次元ベクトル]、KpはP制御ゲインを表すn行n列の対角行列である。
ここで、τm=τm(xs,xm)とはすなわち、マスタ駆動力τmはスレーブ変位xsとマスタ変位xmとの関数であることを表し、τs=τs(xm,xs)とはすなわち、スレーブ駆動力τsはマスタ変位xmとスレーブ変位xsとの関数であることを表している。
そして、式(1)~(4)から次式を得る。
すなわち、この対称型バイラテラル制御においては制御系の構成上、操作者が感じる見かけの慣性は、マスタロボットMの慣性にスレーブロボットSの慣性が重畳されるため操作感が重くなりがちであるほか、スレーブロボットSからマスタロボットMへの力フィードバックを位置制御系の偏差信号に頼るのでマスタ、スレーブ両ロボットの駆動系の摩擦の影響を受けやすいと言った問題があった。
(b)力逆送型バイラテラル制御
図10に示す力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32は、マスタロボットMの位置・速度を目標値として、スレーブロボットSが軌道制御されると同時に、スレーブロボットS側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力fsがマスタロボットM側に逆送されてマスタロボットMを駆動する方式である。そのため、スレーブロボットS末端にはスレーブ作業力fsを計測する作業力センサFsが備えられると共にマスタロボットM側には駆動力制御手段FCmが備えられ、スレーブ作業力fsをマスタロボットM側に於けるマスタ駆動力τmへ「反射」させる様構成されている。
力逆送型の場合、スレーブロボットSはマスタロボットMに連動する。これは、スレーブロボットSがマスタロボットMの動特性すなわちダイナミクスに従って動くと言うことを示唆するものである。これについては次に説明する力帰還型の場合でも同様である。
ここで、マスタロボットMの制御則は次の通りとなる。なおスレーブロボットSの制御則は式(4)と同じである。
そして、式(1)と式(6)から次式を得る。
(c)力帰還型バイラテラル制御
図11に示す力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33は、マスタロボットMの位置・速度を目標値として、スレーブロボットSが軌道制御されると同時に、スレーブロボットS側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力fsを目標値としてマスタロボットMが力制御される方式である。力逆送型32との違いは、マスタロボットM側にも操作力センサFmが備えられ、力目標との誤差を帰還する閉ループが存在することである。この力帰還ループの追加により、力感度等が向上し、マスタロボットMそしてスレーブロボットSの見かけの慣性が小さくなって操作感が向上する様構成されている。
以上の一連の説明から明らかな通り、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31から、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33へと構成要件が増すにしたがって、マスタスレーブシステム全体の機構透明性の向上が図られていることが理解される。
ここで、マスタロボットMの制御則は次の通りとなる。Kfは力制御ゲインを表すn行n列の対角行列である。なおスレーブロボットSの制御則は式(4)と同じである。
そして、式(1)と式(8)から次式を得る。なお、Iは単位行列である。
ところで、前記(5)式、(7)式、そして(9)式といった様に対称型マスタスレーブシステム31、力逆送型マスタスレーブシステム32、そして力帰還型マスタスレーブシステム33へと機構透明性を高めるに従い、操作者Uは恰も「対象物(だけ)を直接操作している」様な感覚で以てマスタスレーブシステムを操作することが出来る様になる一方で、例えば(9)式にも現れている様に、操作者UにとってはスレーブロボットSのダイナミクスに配慮した操作を行う、といった意識が稀薄にならざるを得ず、いきおい、操作者Uに、比較的大出力で大型のスレーブロボットSであっても、彼若しくは彼女の手許にある比較的小出力のマスタロボットMのダイナミクスで以て動作するものだという錯覚を与えかねない、またその傾向が強く見られるといった点は問題であった。
すなわち、比較的小出力のマスタロボットMと比較的大出力で大型のスレーブロボットSとが電気的に相互接続されてなるマスタスレーブシステムにおいては、同構造であるか異構造であるかにかかわらずマスタロボットMのダイナミクスとスレーブロボットSのダイナミクスは当然大きく相違し、例えば、スレーブロボットSの慣性や摩擦、可動範囲その他の動特性はマスタロボットMと比較して格段に大きなものとなっている。
その様な前提の下で、スレーブロボットSのダイナミクスを何らかのかたちで操作者Uに伝達しないことは、操作者Uに対してスレーブロボットSのダイナミクスに配慮した適切な操作をさせることを阻害する要因ともなり、マスタスレーブシステムの制御系を検討する際にマンマシンインタフェースの性能の一つとして対応すべき問題であった。
また、そのような比較的大出力で大型のスレーブロボットを想定した場合に於いては、時には劣悪な環境の下に晒され過大な負荷が掛けられるといったスレーブロボットの過酷な使用に耐え得る強靱な力センサを入手し、これをスレーブロボットに備えることは現実的にも非常に困難であり、そうすると、既存の力逆送型、或いは力帰還型と言ったスレーブロボット側で検出された環境との接触力或いは対象物の感触を操作者に還すバイラテラルマスタスレーブシステム32,33の適用も難しいという問題があった。
さらに、仮にその様な比較的大出力で大型のスレーブロボットの過酷な使用に耐え得る強靱な力センサが得られたとしても、前記力逆送型、或いは力帰還型と言ったバイラテラルマスタスレーブシステム32,33には次のような問題が存する以上、比較的小出力のマスタロボットを操作して比較的大出力で大型のスレーブロボットを操縦する様なマスタスレーブシステムには適用が困難と言った問題もあった。
すなわち、図10及び11に示す力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33においてはスレーブロボットSに作業力センサFsが備えられるところ、例えば、操作者UがマスタロボットMに備えられた操縦桿であるグリップGから手を離してマスタロボットMと離間してしまった状態(fm=0)でスレーブロボットSが外力−fsによって無理矢理駆動されると言った状況を想定した場合、スレーブロボットSに備えられた作業力センサFs出力に基づきマスタロボットM側にマスタ駆動力τmが伝わった際、それがマスタ位置・速度に反映されることとなる。そうすると、そのようなマスタ変位xmが、今度はスレーブロボットS側に伝わってしまい、その結果、マスタ変位xmに基づきスレーブロボットS側にスレーブ駆動力τsが伝わってスレーブロボットSが駆動され、スレーブロボットの作業力センサFs出力が変動するきっかけをもたらし、再びマスタ駆動力τm発生、マスタ変位xm変化・・・と言った具合に閉ループが構成される虞が生じる。その様な閉ループが一旦構成されてしまうと、操作者UとマスタロボットMとの離間状態を解消して適切な操作を加えない限り、スレーブロボットSの、意図しない動作或いは振動が増大し、最悪の場合、スレーブロボットSが暴走して周囲に危険を及ぼす可能性があった。この場合も、制御系として安定性が保たれない虞が高かったのである。
これらの危険性或いは周囲に与える影響は特に、スレーブロボットが比較的大出力で大型の場合には大きく、大型であればある程、甚大な被害を周囲に与えかねない危険性を孕んでいると言った問題があった。
すなわち、前記した諸問題は、操作者が安心して操作でき、そしてスレーブロボットの周囲に対しても安心を与えることができるマスタスレーブシステムを提供するに際して必ず解決すべき課題である。
ところが、現在に至るまで、これらの諸問題に着目し、そしてそれを正面から解決した例はこれまで世の中に存在しなかった。
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白石哲也、平林丈嗣、"バイラテラル操作型水中バックホウの開発について"、システム/制御/情報、50,7,pp.248−253、2006.
金岡 克弥(編著),木野 仁,橋口 宏衛,田原 健二,菊植 亮,吉田 晴行,杉原 知道(著),あのスーパーロボットはどう動く−スパロボで学ぶロボット制御工学−,日刊工業新聞社,2010.
加藤恵輔、広瀬茂男、"形状帰還型マスタ・スレーブアームの提案と基礎実験"、日本ロボット学会誌、18,5,pp.752−757、2000.
したがって本発明は、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にし、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することを課題とする。
前記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、本願発明者は、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、操作者によって操られるマスタロボットを、操作者から受けるマスタ操作力を出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うアドミッタンス型の力覚提示装置とし、そして、マスタロボットを、操作者がマスタロボットに加える操作力を検出する操作力センサと、マスタロボットの変位を検出するマスタ変位センサと、マスタ変位とスレーブ変位とに基づきマスタロボットを駆動するマスタアクチュエータとからなるものとし、スレーブロボットを、スレーブロボットの変位を検出するスレーブ変位センサと、マスタ操作力に基づきスレーブロボットを駆動するスレーブアクチュエータとからなるものとすることにより、スレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステムを提供することが可能であることを見い出すとともに、同構成によれば、操作者に、比較的小出力のマスタロボットを操ることによって、恰も比較的大出力のスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にすることを見い出し、本発明を完成した。
前記課題を解決可能な本発明のマスタスレーブシステムは、(1)操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも1つのマスタ変位センサと、前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも1つのスレーブ変位センサと、前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも1つのマスタアチュエータと、前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも1つのスレーブアクチュエータと、前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも1つの操作力センサと、を備え、前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、ことを特徴とするものである。
さらに本発明のマスタスレーブシステムの制御方法は、(2)操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムの制御方法であって、少なくとも1つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、少なくとも1つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、少なくとも1つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも1つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、少なくとも1つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、を含んでなることを特徴とするものである。
[用語の説明]
本明細書において「操作」と「操縦」は使い分けている。「操作」は、操作する人・動作にフォーカスするローカルな場合に用いている。他方、「操縦」は、操作する人だけではなく操作されるロボットも共に含めた全体の行為としてみる場合に用いることとする。
したがって、本明細書においては、操作者はマスタロボットを操作し、操作者はスレーブロボットを操縦する、というようにしている。
本明細書にいう「パワー増幅ロボット」とは、一般にパワーアシストロボットとして理解されるデバイスの内、人が生身では発揮できない大きなオーダーでロボットがパワーを発揮することによって、人だけではできない重作業をさせることを主な目的とするロボットを指すものとする。
本明細書において「マスタスレーブシステム」とは、マスタロボット及びスレーブロボットのほか、これらを制御する制御装置をも含めた形で統合したものを称するものとする。
本明細書において「ダイナミクス」とは、慣性、摩擦、遠心力等の動特性を全て含んだ包括概念を指し示すものとする。
本明細書において「異構造」とは、マスタスレーブシステムを構成するマスタロボットとスレーブロボットとがそれぞれ別の幾何学的構造を持つものを指し(図5参照)、「同構造」とは、マスタスレーブシステムを構成するマスタロボットとスレーブロボットとが同一の幾何学的構造を持つものを指し示すものとする。
なお、図5に示す異構造マスタスレーブシステム10において、dはスレーブロボットSの作業端、Gは操作者UとのインターフェースとなるマスタロボットMの操作端を表している。
本明細書において「アドミッタンス型」とは、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、操作者から受けるマスタ操作力を出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする(図4参照)。
一方、「インピーダンス型」とは、その反対で、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、マスタ変位又は速度を出力する一方で、力入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする。
なお一般的に、インピーダンス型、或いはアドミッタンス型というのはバーチャルリアリティの分野で使われる概念で、マスタスレーブシステムに対して使われることは殆どない。
本明細書における「機構透明性」とは、主にウェアラブルロボットやマスタスレーブシステムの分野で用いられる概念である。これは、「ロボットの操作者が着用あるいは操作しているロボットの機構が持つ動特性(ダイナミクス)が、操作者にとって見かけ上(運動感覚的に)、恰も透明に(何もないかのように)感じられる」という特性を指し示すものとする。
前記課題を解決可能な本発明のマスタスレーブシステムは、(1)操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも1つのマスタ変位センサと、前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも1つのスレーブ変位センサと、前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも1つのマスタアチュエータと、前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも1つのスレーブアクチュエータと、前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも1つの操作力センサと、を備え、前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、ことを特徴とするものである。
さらに本発明のマスタスレーブシステムの制御方法は、(2)操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムの制御方法であって、少なくとも1つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、少なくとも1つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、少なくとも1つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも1つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、少なくとも1つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、を含んでなることを特徴とするものである。
[用語の説明]
本明細書において「操作」と「操縦」は使い分けている。「操作」は、操作する人・動作にフォーカスするローカルな場合に用いている。他方、「操縦」は、操作する人だけではなく操作されるロボットも共に含めた全体の行為としてみる場合に用いることとする。
したがって、本明細書においては、操作者はマスタロボットを操作し、操作者はスレーブロボットを操縦する、というようにしている。
本明細書にいう「パワー増幅ロボット」とは、一般にパワーアシストロボットとして理解されるデバイスの内、人が生身では発揮できない大きなオーダーでロボットがパワーを発揮することによって、人だけではできない重作業をさせることを主な目的とするロボットを指すものとする。
本明細書において「マスタスレーブシステム」とは、マスタロボット及びスレーブロボットのほか、これらを制御する制御装置をも含めた形で統合したものを称するものとする。
本明細書において「ダイナミクス」とは、慣性、摩擦、遠心力等の動特性を全て含んだ包括概念を指し示すものとする。
本明細書において「異構造」とは、マスタスレーブシステムを構成するマスタロボットとスレーブロボットとがそれぞれ別の幾何学的構造を持つものを指し(図5参照)、「同構造」とは、マスタスレーブシステムを構成するマスタロボットとスレーブロボットとが同一の幾何学的構造を持つものを指し示すものとする。
なお、図5に示す異構造マスタスレーブシステム10において、dはスレーブロボットSの作業端、Gは操作者UとのインターフェースとなるマスタロボットMの操作端を表している。
本明細書において「アドミッタンス型」とは、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、操作者から受けるマスタ操作力を出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする(図4参照)。
一方、「インピーダンス型」とは、その反対で、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、マスタ変位又は速度を出力する一方で、力入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする。
なお一般的に、インピーダンス型、或いはアドミッタンス型というのはバーチャルリアリティの分野で使われる概念で、マスタスレーブシステムに対して使われることは殆どない。
本明細書における「機構透明性」とは、主にウェアラブルロボットやマスタスレーブシステムの分野で用いられる概念である。これは、「ロボットの操作者が着用あるいは操作しているロボットの機構が持つ動特性(ダイナミクス)が、操作者にとって見かけ上(運動感覚的に)、恰も透明に(何もないかのように)感じられる」という特性を指し示すものとする。
本発明によれば、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にし、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することができる。
又本発明によれば、スレーブロボットをスレーブダイナミクスに従って動作させることができ、同時に、マスタロボットがスレーブロボットに連動する、スレーブ側に力センサを要せず、安定なマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することが可能となる。
又本発明によれば、スレーブロボットをスレーブダイナミクスに従って動作させることができ、同時に、マスタロボットがスレーブロボットに連動する、スレーブ側に力センサを要せず、安定なマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することが可能となる。
図1は本発明のマスタスレーブシステムの一実施形態を示す図である。
図2は本発明のマスタスレーブシステムの他の実施形態に係る四肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
図3は本発明のマスタスレーブシステムのさらに別の実施形態に係る四肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
図4はインピーダンス型力覚提示とアドミッタンス型力覚提示との概念の違いを説明する図である。
図5は異構造マスタスレーブマニピュレータの一例を示す図である。
図6は上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
図7は機械式マスタスレーブシステムの概念図である。
図8はユニラテラル制御について示す概念図である。
図9は対称型バイラテラル制御について示す概念図である。
図10は力逆送型バイラテラル制御について示す概念図である。
図11は力帰還型バイラテラル制御について示す概念図である。
図12はマスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図である。
図2は本発明のマスタスレーブシステムの他の実施形態に係る四肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
図3は本発明のマスタスレーブシステムのさらに別の実施形態に係る四肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
図4はインピーダンス型力覚提示とアドミッタンス型力覚提示との概念の違いを説明する図である。
図5は異構造マスタスレーブマニピュレータの一例を示す図である。
図6は上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
図7は機械式マスタスレーブシステムの概念図である。
図8はユニラテラル制御について示す概念図である。
図9は対称型バイラテラル制御について示す概念図である。
図10は力逆送型バイラテラル制御について示す概念図である。
図11は力帰還型バイラテラル制御について示す概念図である。
図12はマスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて説明するが、本発明はかかる実施形態のみに限定されるものではない。
本発明に係るマスタスレーブシステムが完成されるに至った背景については前記の通りであり、図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においてはスレーブロボットS側に多軸力センサを配置する構成は望ましくないため、i)図10、或いは図11のような力逆送型、或いは力帰還型マスタスレーブシステム32,33は現実として適用困難であること、ii)また、力センサを要しない図9のような対称型マスタスレーブシステム31では高い操作性を保つことが難しいことに帰結する。
[構成]
図1は、本発明に係るマスタスレーブシステムの一実施形態を示す図である。図1は、先に図6として示した上肢パワー増幅マスタスレーブシステムに本発明を適用したものと考えて良い。図1に示された本発明のマスタスレーブシステムと図6に示された上肢パワー増幅マスタスレーブシステムとの表面上の差違点をまず最初に指摘しておくと、図6に於いてスレーブロボットSの作業端dにFsとして図示された作業力センサは、本実施形態では不要であり、図1に示されない点が相違点として着目すべきである。
前記背景に端を発する特徴をもつ図1に示された本発明に係るマスタスレーブシステム1において、高い操作性を保つ妥当な方法は、マスタロボットM末端Gに操作力fmを計測する操作力センサFmを配置し、操作力fmをスレーブロボットS側に於けるスレーブ駆動力τsへ「投射」することである。
それゆえ本実施形態ではスレーブロボットS側には力センサを配置せず、マスタロボットMは、スレーブ変位xsとマスタ変位xmとに基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によって駆動される。
以下、本明細書に於いてはこのような制御法或いは構成を力順送型(force projection type)バイラテラル制御或いはバイラテラルマスタスレーブシステムと称し、この用語を随時用いるものとする。
図6と同様に、図1に示す本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1は、体幹Bの異なる位置に設けられると共に以下の要領で互いに電気的に接続されたマスタロボットMとスレーブロボットSとからなっている。本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1において、マスタロボットMは、操作者Uによって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置である。
マスタロボットMとスレーブロボットSは、それぞれ、一端側に操作端となるグリップGと作業端dを有していると共に、他端側が体幹Bの異なる位置に備えられている。また、マスタロボットMとスレーブロボットSは、それぞれ、2本のリンクを有していると共に、グリップG或いは作業端dに接続される一端側、体幹Bに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。
これらの関節には、マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3、マスタアクチュエータAm1~3及びスレーブアクチュエータAs1~3が備えられている。また本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、グリップGに操作力センサFmが備えられている。さらに、図1に示す通り、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1には、マスタロボットM側に軌道制御手段PCm、そしてスレーブロボットS側に駆動力制御手段FCsが備えられ、前記のセンサ及びアクチュエータが電気的に接続されている。
操作力センサFmは、マスタロボットM側に設けられ、操作者Uからのマスタ操作力fmを検出する。本実施形態ではマスタロボットMのグリップGに設けられている。
スレーブアクチュエータPs1~3は、スレーブロボットSの各関節に設けられ、操作力センサFmからの信号に基づきスレーブ駆動力制御手段FCsを通じてスレーブ駆動力τsを発生させる。
マスタ変位センサPm1~3は、マスタロボットMの各関節に設けられ、マスタ変位xmを検出する。またスレーブ変位センサPs1~3は、スレーブロボットSの各関節に設けられ、スレーブ変位xsを検出する。
マスタアクチュエータAm1~3は、マスタロボットMの各関節に設けられ、マスタ変位xmとスレーブ変位xsとに基づきマスタ駆動力τmを発生させる。本実施形態ではマスタアクチュエータAm1~3は、マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3からの信号の差に基づき軌道制御手段PCmを通じてマスタ駆動力τmを発生させる。
このように、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、スレーブロボットSがマスタ操作力fmに基づきスレーブ駆動力τsを発生させるスレーブアクチュエータPs1~3によって駆動される一方、マスタロボットMが、マスタ変位xmとスレーブ変位xsとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によって駆動される。
[動作]
以上に概略構成を説明した、操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットMとこれに電気的に接続されたスレーブロボットSとからなる、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1は、
i)マスタロボットM側に設けられた操作力センサFmにより操作者Uからのマスタ操作力fmを検出するステップと、
ii)操作力センサFmからの信号に基づき、スレーブロボットSに設けられたスレーブアクチュエータAs1~3によりスレーブ駆動力τsを発生させるステップと、
iii)マスタロボットMに設けられたマスタ変位センサPm1~3によりマスタ変位xmを検出するステップと、
iv)スレーブロボットSに設けられたスレーブ変位センサPs1~3によりスレーブ変位xsを検出するステップと、
v)マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3からの信号の差に基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によりマスタロボットMにマスタ駆動力τmを発生させ、操作者Uに力覚を提示するステップと、
を経て制御される。
次に、本実施形態に係る力順送型マスタスレーブシステム1の制御則は、例えば以下のようになる。
式(10)がマスタロボット側、式(11)がスレーブロボット側に係るものである。
ここで、τm=τm(xs,xm)とはすなわち、マスタ駆動力τmはスレーブ変位xsとマスタ変位xmとの関数であることを表し、τs=τs(fm)とはすなわち、スレーブ駆動力τsはマスタ操作力fmの関数であることを表している。
そして、前記した式(2)と式(11)から次式を得る。
式(12)の右辺第1項及び第2項からも分かる通り、マスタ操作力fmにはスレーブロボットSのダイナミクスの影響とスレーブロボットSのスレーブ作業力fsがSf
−1倍に縮小されて加わる。
ところで、上の式(12)の両辺にスケールファクタSfを掛けたとすると、次の式(13)が導かれる。スケールファクタSf自体については先に説明した通りであり、スケールファクタSfがあることによって、操作者は、「力持ちになって、スレーブロボット、さらには対象物を操作している感覚」を得ることが可能となる。制御則上、スケールファクタSfは謂わば、力持ちの所以とも捉えることが可能なものである。
すなわち、これは「自らの操作力をSf倍に増幅した上でスレーブ末端を直接持って操作する」という、非特許文献2或いは8に開示されたパワー増幅の考え方をバイラテラルマスタスレーブシステムへ無理のないかたちで拡張する結果になっている。そして、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、スレーブ変位xsとマスタ変位xmとに基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によって感覚が逆送される。
なお、一見類似と思しき手法に非特許文献9に開示された形状帰還型マスタ・スレーブアームがあるが、これは、低ゲインバイラテラル制御における感覚の逆送を別ルートで補助するために、高ゲインユニラテラル制御を行なう関節を別途付加する手法であり、純粋なバイラテラル制御技術を提供するものとは言えない。
[特長]
ここで一旦、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1について特長を纏めると、次の各項目が挙げられる。
1.マスタロボットMの操作端に操作力センサFmを要する一方、スレーブロボットS側には力センサを要しないものとする。
2.操作力fmへのマスタダイナミクスの影響を消すこととする。
3.操作力fmへのスレーブダイナミクスの影響を消さない。但し、スケーリングは可能とする。
図1に示す本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムと同様に、マスタロボットM側の操作力fmは人力であり、スレーブロボットS側の作業力は大出力である。そして、マスタロボットM側では環境からの衝撃力を回避することができるが、スレーブロボットS側では環境からの衝撃力は不可避である。
つまり、マスタロボットM側の条件は多軸力センサにとって適切だが、スレーブロボットS側は劣悪である。
したがって、前記1.の特長は図1或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムに適している。
また前記2.及び3.の特徴は、以下に述べる通りマンマシンシナジーの観点から重要である。
ここで、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、操作者Uは主にマスタロボットMと環境に支配されるダイナミクスの機械インピーダンスに操作入力を整合させることとなる。一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では主にスレーブロボットSと環境に支配されるダイナミクスに整合させることとなる。
例えば、図2又は3に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムによる歩行のようなタスクの場合、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、操作者Uは、「マスタ装置に乗って(あるいは何にも乗らずに)楽に歩ける周期」に操作入力を整合させるが、これはスレーブ装置にとってはマッチングしない歩行周期に無理矢理追従させられる結果となるため、エネルギー伝送に無駄が生じる。
一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、式(13)にも表れている通り、操作者Uは、「自らの操作力fmを増幅した上でスレーブ装置に乗って楽に歩ける周期」に操作入力を整合させることになる。これは、スレーブ装置にとってエネルギー伝送に無駄がない運動となる。
すなわち、操作者Uの身体スキルに期待するマンマシンシナジーの観点からは、単なる操作装置にすぎないマスタロボットMのダイナミクスを感じさせる(あるいは何も感じさせない=機構透明性)よりも、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて支配的なスレーブのダイナミクスを感じさせる方が有利であることが理解される。
[理論検証]
以下では、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1を適用することに対する優位性を説明すべく、ある特定の条件下における種々のバイラテラルマスタスレーブシステムの挙動につき検証する。
ここでは、操作力fmを加えないfm=0のときにおける上述した4種のバイラテラルマスタスレーブシステムすなわち、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32、力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33、そして、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1、の挙動について考える。なおこの場合、上述した4種のバイラテラルマスタスレーブシステム31~33並びに1は外力−fsのみによって駆動される。
対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31の場合は式(5)より、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32の場合は式(7)より、そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33の場合は式(9)より、それぞれ次の式(14)~(16)が得られる。
式(14)~(16)それぞれの右辺第1項を見ても明らかな通り、これらの手法では、スレーブロボットSが外力を受けると、やはり操作装置にすぎないマスタロボットMのダイナミクスの影響下でマスタスレーブシステムが動作してしまう。特に、力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33で操作性を高めるために力制御ゲインKfを大きくすると、少しの外力−fsによってもマスタロボットMが大きく動かされることとなる。
他方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1の場合は、式(12)より、
である。このときスレーブロボットSは、式(17)右辺を見ても明らかな通り、外力に対して自身のダイナミクスで動く。
つまり、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、「スレーブロボットSはスレーブダイナミクスに従って動く」ということが理論上からも検証されたのである。この点は一見、自然の摂理に従った極く極く当り前の様なことにも見えるが、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
上からも明らかな通り、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、外力によってマスタスレーブシステムが過大に動かされることはない。
ところで、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32及び力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33では、式(4)によって「スレーブロボットSがマスタロボットMに連動」する。外力−fsによってマスタロボットMが動かされる(式(14)~(16)参照)とスレーブロボットSも連動し、それによって外力−fsが変化する。これはマスタスレーブシステムの不安定化の一因となる。つまり、操作者Uが何もしなくても外力−fsのみによってバイラテラル制御が不安定化される可能性があるのである。
他方、本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、式(10)によって「マスタはスレーブに連動」するが、先ほど理論検証として説示した様に操作力fm=0であれば式(17)のようにスレーブはマスタから切り離される。
つまり、操作者がマスタから手(足)を放せば、外力によってバイラテラル制御が不安定化されることはない。この点も、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
[アドミッタンス型力覚提示とインピーダンス型力覚提示とについて]
上述した通り、図1に示す本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、操作者Uによって操られるマスタロボットMを、操作者Uから受けるマスタ操作力fmを出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力τmを発生させて操作者に力覚提示を行うアドミッタンス型の力覚提示装置としている。すなわち、図4に示す通り、マスタロボットM側から見ると、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1はアドミッタンス型の力覚提示であるということができる。
これと異なり、図10或いは11に示す力逆送型或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、マスタロボットMはインピーダンス型力覚提示装置だということができる(図4参照)。
インピーダンス型の力覚提示の場合、マスタロボットMにおいては装置のどの部分からでも操作入力できる。一方、スレーブロボットSでは作業力センサFs部分からの反力でないと力覚提示することができない。すなわち、操作者Uは、スレーブロボットSの作業力センサFs部分以外を使った作業は力覚なしで行なわなければならず、作業力センサFs部分以外での環境との接触を認識できない可能性がある。
しかし、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1はマスタロボットMをアドミッタンス型力覚提示装置としているため、スレーブロボットSのどの部分からの反力でもマスタロボットMに提示することができる。一方、操作者UによるマスタロボットMに対する操作入力は操作力センサFm部分から行うこととなる。
[一般形での表現]
ところで、マスタスレーブシステムのバイラテラル制御系には一般形での表現が与えられている(非特許文献4参照)。図12に、マスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図を示す。
本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1についても同様な表記の可能性を試みたところ、一般形が次のように表現可能なことが遡って検証された。
なお、Km、Ksはマスタスレーブシステムのゲイン行列とする。
ここで、前記一般形に当て嵌めるとするならば、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1の制御則は、次のように表現することができる。
このような設定でバイラテラル制御が論じられている例はこれまで世の中に存在しなかった。
[変形例]
以上、一実施形態を用いて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムを順に説明してきたが、本願発明は前記一実施形態記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
例えば、本実施形態においてはマスタアクチュエータAm1~3は、マスタ変位xmと前記スレーブ変位xsとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τmを発生させているところ、そのような構成には限定されず、誤差以外の量、例えば変位の微分量などに基づきマスタ駆動力τmを発生させる制御を行っても構わない。
マスタ又はスレーブアクチュエータの数、マスタ又はスレーブ変位センサの数も前記実施形態記載の個数に限定されない。
また、前記実施形態記載においては、単に変位、駆動力と述べているが、変位は並進変位に限らず回転変位の混在を許容する一般化変位としてよく、また駆動力は並進力に限らず回転トルクの混在を許容する一般化駆動力としてよい。
以上に述べる通り、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムは、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能とせしめ、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステムを提供することができる新規かつ有用なるものであることが明らかである。
本発明に係るマスタスレーブシステムが完成されるに至った背景については前記の通りであり、図6のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム1’においてはスレーブロボットS側に多軸力センサを配置する構成は望ましくないため、i)図10、或いは図11のような力逆送型、或いは力帰還型マスタスレーブシステム32,33は現実として適用困難であること、ii)また、力センサを要しない図9のような対称型マスタスレーブシステム31では高い操作性を保つことが難しいことに帰結する。
[構成]
図1は、本発明に係るマスタスレーブシステムの一実施形態を示す図である。図1は、先に図6として示した上肢パワー増幅マスタスレーブシステムに本発明を適用したものと考えて良い。図1に示された本発明のマスタスレーブシステムと図6に示された上肢パワー増幅マスタスレーブシステムとの表面上の差違点をまず最初に指摘しておくと、図6に於いてスレーブロボットSの作業端dにFsとして図示された作業力センサは、本実施形態では不要であり、図1に示されない点が相違点として着目すべきである。
前記背景に端を発する特徴をもつ図1に示された本発明に係るマスタスレーブシステム1において、高い操作性を保つ妥当な方法は、マスタロボットM末端Gに操作力fmを計測する操作力センサFmを配置し、操作力fmをスレーブロボットS側に於けるスレーブ駆動力τsへ「投射」することである。
それゆえ本実施形態ではスレーブロボットS側には力センサを配置せず、マスタロボットMは、スレーブ変位xsとマスタ変位xmとに基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によって駆動される。
以下、本明細書に於いてはこのような制御法或いは構成を力順送型(force projection type)バイラテラル制御或いはバイラテラルマスタスレーブシステムと称し、この用語を随時用いるものとする。
図6と同様に、図1に示す本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1は、体幹Bの異なる位置に設けられると共に以下の要領で互いに電気的に接続されたマスタロボットMとスレーブロボットSとからなっている。本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1において、マスタロボットMは、操作者Uによって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置である。
マスタロボットMとスレーブロボットSは、それぞれ、一端側に操作端となるグリップGと作業端dを有していると共に、他端側が体幹Bの異なる位置に備えられている。また、マスタロボットMとスレーブロボットSは、それぞれ、2本のリンクを有していると共に、グリップG或いは作業端dに接続される一端側、体幹Bに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。
これらの関節には、マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3、マスタアクチュエータAm1~3及びスレーブアクチュエータAs1~3が備えられている。また本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、グリップGに操作力センサFmが備えられている。さらに、図1に示す通り、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1には、マスタロボットM側に軌道制御手段PCm、そしてスレーブロボットS側に駆動力制御手段FCsが備えられ、前記のセンサ及びアクチュエータが電気的に接続されている。
操作力センサFmは、マスタロボットM側に設けられ、操作者Uからのマスタ操作力fmを検出する。本実施形態ではマスタロボットMのグリップGに設けられている。
スレーブアクチュエータPs1~3は、スレーブロボットSの各関節に設けられ、操作力センサFmからの信号に基づきスレーブ駆動力制御手段FCsを通じてスレーブ駆動力τsを発生させる。
マスタ変位センサPm1~3は、マスタロボットMの各関節に設けられ、マスタ変位xmを検出する。またスレーブ変位センサPs1~3は、スレーブロボットSの各関節に設けられ、スレーブ変位xsを検出する。
マスタアクチュエータAm1~3は、マスタロボットMの各関節に設けられ、マスタ変位xmとスレーブ変位xsとに基づきマスタ駆動力τmを発生させる。本実施形態ではマスタアクチュエータAm1~3は、マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3からの信号の差に基づき軌道制御手段PCmを通じてマスタ駆動力τmを発生させる。
このように、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、スレーブロボットSがマスタ操作力fmに基づきスレーブ駆動力τsを発生させるスレーブアクチュエータPs1~3によって駆動される一方、マスタロボットMが、マスタ変位xmとスレーブ変位xsとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によって駆動される。
[動作]
以上に概略構成を説明した、操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットMとこれに電気的に接続されたスレーブロボットSとからなる、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1は、
i)マスタロボットM側に設けられた操作力センサFmにより操作者Uからのマスタ操作力fmを検出するステップと、
ii)操作力センサFmからの信号に基づき、スレーブロボットSに設けられたスレーブアクチュエータAs1~3によりスレーブ駆動力τsを発生させるステップと、
iii)マスタロボットMに設けられたマスタ変位センサPm1~3によりマスタ変位xmを検出するステップと、
iv)スレーブロボットSに設けられたスレーブ変位センサPs1~3によりスレーブ変位xsを検出するステップと、
v)マスタ変位センサPm1~3及びスレーブ変位センサPs1~3からの信号の差に基づきマスタ駆動力τmを発生させるマスタアクチュエータAm1~3によりマスタロボットMにマスタ駆動力τmを発生させ、操作者Uに力覚を提示するステップと、
を経て制御される。
次に、本実施形態に係る力順送型マスタスレーブシステム1の制御則は、例えば以下のようになる。
ここで、τm=τm(xs,xm)とはすなわち、マスタ駆動力τmはスレーブ変位xsとマスタ変位xmとの関数であることを表し、τs=τs(fm)とはすなわち、スレーブ駆動力τsはマスタ操作力fmの関数であることを表している。
そして、前記した式(2)と式(11)から次式を得る。
ところで、上の式(12)の両辺にスケールファクタSfを掛けたとすると、次の式(13)が導かれる。スケールファクタSf自体については先に説明した通りであり、スケールファクタSfがあることによって、操作者は、「力持ちになって、スレーブロボット、さらには対象物を操作している感覚」を得ることが可能となる。制御則上、スケールファクタSfは謂わば、力持ちの所以とも捉えることが可能なものである。
なお、一見類似と思しき手法に非特許文献9に開示された形状帰還型マスタ・スレーブアームがあるが、これは、低ゲインバイラテラル制御における感覚の逆送を別ルートで補助するために、高ゲインユニラテラル制御を行なう関節を別途付加する手法であり、純粋なバイラテラル制御技術を提供するものとは言えない。
[特長]
ここで一旦、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1について特長を纏めると、次の各項目が挙げられる。
1.マスタロボットMの操作端に操作力センサFmを要する一方、スレーブロボットS側には力センサを要しないものとする。
2.操作力fmへのマスタダイナミクスの影響を消すこととする。
3.操作力fmへのスレーブダイナミクスの影響を消さない。但し、スケーリングは可能とする。
図1に示す本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では図6のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムと同様に、マスタロボットM側の操作力fmは人力であり、スレーブロボットS側の作業力は大出力である。そして、マスタロボットM側では環境からの衝撃力を回避することができるが、スレーブロボットS側では環境からの衝撃力は不可避である。
つまり、マスタロボットM側の条件は多軸力センサにとって適切だが、スレーブロボットS側は劣悪である。
したがって、前記1.の特長は図1或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムに適している。
また前記2.及び3.の特徴は、以下に述べる通りマンマシンシナジーの観点から重要である。
ここで、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、操作者Uは主にマスタロボットMと環境に支配されるダイナミクスの機械インピーダンスに操作入力を整合させることとなる。一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では主にスレーブロボットSと環境に支配されるダイナミクスに整合させることとなる。
例えば、図2又は3に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムによる歩行のようなタスクの場合、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、操作者Uは、「マスタ装置に乗って(あるいは何にも乗らずに)楽に歩ける周期」に操作入力を整合させるが、これはスレーブ装置にとってはマッチングしない歩行周期に無理矢理追従させられる結果となるため、エネルギー伝送に無駄が生じる。
一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、式(13)にも表れている通り、操作者Uは、「自らの操作力fmを増幅した上でスレーブ装置に乗って楽に歩ける周期」に操作入力を整合させることになる。これは、スレーブ装置にとってエネルギー伝送に無駄がない運動となる。
すなわち、操作者Uの身体スキルに期待するマンマシンシナジーの観点からは、単なる操作装置にすぎないマスタロボットMのダイナミクスを感じさせる(あるいは何も感じさせない=機構透明性)よりも、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて支配的なスレーブのダイナミクスを感じさせる方が有利であることが理解される。
[理論検証]
以下では、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1を適用することに対する優位性を説明すべく、ある特定の条件下における種々のバイラテラルマスタスレーブシステムの挙動につき検証する。
ここでは、操作力fmを加えないfm=0のときにおける上述した4種のバイラテラルマスタスレーブシステムすなわち、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32、力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33、そして、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1、の挙動について考える。なおこの場合、上述した4種のバイラテラルマスタスレーブシステム31~33並びに1は外力−fsのみによって駆動される。
対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31の場合は式(5)より、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32の場合は式(7)より、そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33の場合は式(9)より、それぞれ次の式(14)~(16)が得られる。
他方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1の場合は、式(12)より、
つまり、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、「スレーブロボットSはスレーブダイナミクスに従って動く」ということが理論上からも検証されたのである。この点は一見、自然の摂理に従った極く極く当り前の様なことにも見えるが、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
上からも明らかな通り、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1においては、外力によってマスタスレーブシステムが過大に動かされることはない。
ところで、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム31、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム32及び力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム33では、式(4)によって「スレーブロボットSがマスタロボットMに連動」する。外力−fsによってマスタロボットMが動かされる(式(14)~(16)参照)とスレーブロボットSも連動し、それによって外力−fsが変化する。これはマスタスレーブシステムの不安定化の一因となる。つまり、操作者Uが何もしなくても外力−fsのみによってバイラテラル制御が不安定化される可能性があるのである。
他方、本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、式(10)によって「マスタはスレーブに連動」するが、先ほど理論検証として説示した様に操作力fm=0であれば式(17)のようにスレーブはマスタから切り離される。
つまり、操作者がマスタから手(足)を放せば、外力によってバイラテラル制御が不安定化されることはない。この点も、図1~3或いは図6に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
[アドミッタンス型力覚提示とインピーダンス型力覚提示とについて]
上述した通り、図1に示す本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1では、操作者Uによって操られるマスタロボットMを、操作者Uから受けるマスタ操作力fmを出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力τmを発生させて操作者に力覚提示を行うアドミッタンス型の力覚提示装置としている。すなわち、図4に示す通り、マスタロボットM側から見ると、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1はアドミッタンス型の力覚提示であるということができる。
これと異なり、図10或いは11に示す力逆送型或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム32,33では、マスタロボットMはインピーダンス型力覚提示装置だということができる(図4参照)。
インピーダンス型の力覚提示の場合、マスタロボットMにおいては装置のどの部分からでも操作入力できる。一方、スレーブロボットSでは作業力センサFs部分からの反力でないと力覚提示することができない。すなわち、操作者Uは、スレーブロボットSの作業力センサFs部分以外を使った作業は力覚なしで行なわなければならず、作業力センサFs部分以外での環境との接触を認識できない可能性がある。
しかし、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1はマスタロボットMをアドミッタンス型力覚提示装置としているため、スレーブロボットSのどの部分からの反力でもマスタロボットMに提示することができる。一方、操作者UによるマスタロボットMに対する操作入力は操作力センサFm部分から行うこととなる。
[一般形での表現]
ところで、マスタスレーブシステムのバイラテラル制御系には一般形での表現が与えられている(非特許文献4参照)。図12に、マスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図を示す。
本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム1についても同様な表記の可能性を試みたところ、一般形が次のように表現可能なことが遡って検証された。
なお、Km、Ksはマスタスレーブシステムのゲイン行列とする。
[変形例]
以上、一実施形態を用いて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムを順に説明してきたが、本願発明は前記一実施形態記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
例えば、本実施形態においてはマスタアクチュエータAm1~3は、マスタ変位xmと前記スレーブ変位xsとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τmを発生させているところ、そのような構成には限定されず、誤差以外の量、例えば変位の微分量などに基づきマスタ駆動力τmを発生させる制御を行っても構わない。
マスタ又はスレーブアクチュエータの数、マスタ又はスレーブ変位センサの数も前記実施形態記載の個数に限定されない。
また、前記実施形態記載においては、単に変位、駆動力と述べているが、変位は並進変位に限らず回転変位の混在を許容する一般化変位としてよく、また駆動力は並進力に限らず回転トルクの混在を許容する一般化駆動力としてよい。
以上に述べる通り、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムは、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能とせしめ、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステムを提供することができる新規かつ有用なるものであることが明らかである。
本発明はマスタスレーブシステムに利用できる。
B 体幹
d、dA、dL 作業端
E 環境
G、GA、GL グリップ
M、MA、ML マスタ
MC 機械的接続
S、SA、SL スレーブ
U オペレータ
Amn マスタアクチュエータ(n:整数)
Asn スレーブアクチュエータ(n:整数)
Fm 操作力センサ
Fs 作業力センサ
Pmn マスタ変位センサ(n:整数)
Psn スレーブ変位センサ(n:整数)
FCm、FCs 駆動力制御手段
PCm、PCs 軌道制御手段
1 力順送型バイラテラル制御に係るマスタスレーブシステム
1’ 一般化されたバイラテラル制御によるマスタスレーブシステム
10 異構造マスタスレーブマニュピュレータ
20 機械式マスタスレーブシステム
30 ユニラテラル制御システム
31 対称型バイラテラル制御システム
32 力逆送型バイラテラル制御システム
33 力帰還型バイラテラル制御システム
50 一般化コントローラ
100 一般化表現されたマスタスレーブシステム
d、dA、dL 作業端
E 環境
G、GA、GL グリップ
M、MA、ML マスタ
MC 機械的接続
S、SA、SL スレーブ
U オペレータ
Amn マスタアクチュエータ(n:整数)
Asn スレーブアクチュエータ(n:整数)
Fm 操作力センサ
Fs 作業力センサ
Pmn マスタ変位センサ(n:整数)
Psn スレーブ変位センサ(n:整数)
FCm、FCs 駆動力制御手段
PCm、PCs 軌道制御手段
1 力順送型バイラテラル制御に係るマスタスレーブシステム
1’ 一般化されたバイラテラル制御によるマスタスレーブシステム
10 異構造マスタスレーブマニュピュレータ
20 機械式マスタスレーブシステム
30 ユニラテラル制御システム
31 対称型バイラテラル制御システム
32 力逆送型バイラテラル制御システム
33 力帰還型バイラテラル制御システム
50 一般化コントローラ
100 一般化表現されたマスタスレーブシステム
Claims (2)
- 操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、
前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも1つのマスタ変位センサと、
前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも1つのスレーブ変位センサと、
前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも1つのマスタアクチュエータと、
前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも1つのスレーブアクチュエータと、
前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも1つの操作力センサと、
を備え、
前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、
前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、
ことを特徴とするマスタスレーブシステム。 - 操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムの制御方法であって、
少なくとも1つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、
少なくとも1つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、
少なくとも1つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも1つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、
少なくとも1つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、
を含んでなることを特徴とするマスタスレーブシステムの制御方法。
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