JPH0741556B2

JPH0741556B2 - バイラテラルマスタスレーブマニピュレータの反力検出方法

Info

Publication number: JPH0741556B2
Application number: JP22847087A
Authority: JP
Inventors: 剛小山内
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 1987-09-14
Filing date: 1987-09-14
Publication date: 1995-05-10
Anticipated expiration: 2010-05-10
Also published as: JPS6471676A

Description

【発明の詳細な説明】 A. 産業上の利用分野本発明は、スレーブアームが受けた外力をマスタアーム
に反力として帰還することにより、スレーブアームに作
用する力やトルクをオペレータが力感覚として感じつつ
マスタアームを操作できるバイラテラルマスタスレーブ
マニピュレータに用いて有用である。

B. 発明の概要本発明は、スレーブアームを動かしたときに発生するモ
ータトルクを反力としてマスタアームに帰還することの
ないように、制御系でモータトルクを消去するようにし
た反力検出方法である。

C. 従来の技術本出願人はすでに、マニピュレータの作動力を検出する
作動力検出装置（特公昭58−2800号）を提案した。これ
について以下に説明する。

第２図において１で示すのはマニピュレータで、遠隔操
作により作動制御されるものである。２で示すのは、上
腕部３および下腕部４等を支承するための肩部で、通常
走行台車（図示省略）等に装備されている。上腕部３、
下腕部４は、それぞれの連結部（関節部）5,6により折
曲げ自在に構成して設けてあるとともに、そのそれぞれ
の腕部3,4の適宜位置に設けた関節部7,8により、回転自
在に構成してある。下腕部４の先端部には、その先端に
指先部９を備えた手首部10が装着して設けてある。

前記関節部5,6,7,8のそれぞれには、第３図において示
すごとき作動装置11が内装して設けてあり、この例にお
いては、回転作用を行なう関節部7,8について例示して
いる。図において12で示すのは、電気モータあるいは油
圧、空圧モータ等の駆動装置で、関節部7,8における駆
動側の管状本体13内に内装して設けてある。14で示すの
は、駆動装置12と一体的に、あるいは連動連結して設け
た減速装置で、その出力軸15には被駆動側の作動部材
（被駆動体）16がキー17を介して固装して設けてある。
出力軸15は、減速装置14に固装して設けた略環状のブラ
ケット18に、軸受19、20を介して支承されている。駆動
装置12および減速装置14は、駆動側本体13の内周面に設
けたボス部21,22に、軸受23,24を介して回転自在に支承
されている。減速装置14側を支承する軸受24は、ブラケ
ット18とボス部22との間に介装して設けてある。ブラケ
ット18の外周面部の一部には、駆動側本体13の内周面方
向に突出させた突出部（作動検出部材）25が設けてあ
り、この突出部25は、駆動側本体13内においてブラケッ
ト18と同心にして配設したＣ形状の支持部材26の空間部
27内に挿入して設けてある。Ｃ形状に形成した支持部材
26は、その一端部28側を、皿ネジのごとき締結具29,29
を介して駆動側本体13の内周面30に固定して設けてある
とともに、その他端部31側は自由端に構成して設けてあ
る。また、支持部材26は、例えば鋼板のごとき弾性部材
にて構成して設けてあり、その両面側（内、外周面側）
において、駆動側本体13の内周面30およびブラケット18
の外周面32との間に設けた空隙部33,34により、前記空
間部27を自在に広狭操作することができるようになって
いる。

前記支持部材26における固定端部28および自由端部31に
は、突出部25と協働してマニピュレータによる操作時に
おける作動力を検出するための作動力検出装置35が装着
して設けてある。作動力検出装置35は、例えば第４図に
おいて示すごとく、作動力を検知するための検知部材
（センサー）36および鋼球37を介して突出部25を押圧す
るための押圧力調節部材38等より構成して設けてある。
検知部材36は、例えば荷重計にて構成してあり、支持部
材26の固定端部において、突出部25と対応する面部に設
けた凹部39内に装着してある。検知部材36の検知部40
は、突出部25の一側面と当接自在に構成して設けてある
とともに、この検知部40を押圧することにより、荷重が
検知されるようになっている。検知部40は、出力軸15の
軸心から一定の距離Ｒを隔てた位置に配設して設けてあ
る。したがって、検知部40を介して検出される荷重を作
動力（作動トルク）として検出することができるように
なっている。前記鋼球37および押圧調節部材38は、前記
凹部39の軸心と同一直線上において自由端部31に設けた
孔（螺子孔）41内に装着して設けてあり、押圧力調節部
材38は、孔41内に螺着してある。鋼球37は、押圧力調節
部材38を介して常時突出部25に当接せしめられていると
ともに、突出部25を介して検知部40を押圧することがで
きるように構成してある。そして、この検知部40を押圧
する押圧力は、押圧力調節部材38を操作することにより
自在に行なえるようになっている。検知部材36は、例え
ば、拡散形半導体式圧力交換器等により構成されてい
る。なお、前記ブラケット18は、減速装置14側に装着さ
れる場合に限定されず、空間的に余裕のある場所、例え
ば駆動装置12側の適宜位置に装着して設けてもよいこと
は勿論である。

以上の構成において、この装置の作用について説明す
る。手首部10における指先部９により保守作業や交換作
業等の作業を遠隔操作するのであるが、作業をする前
に、作動力検出装置35をセットしておく。すなわち、押
圧力調節部材38、鋼球37を介して検知部材36に一定の予
圧を加えておくのである。例えば、正、逆回転のいづれ
の方向の場合にも同程度の作動トルクを検出したい場合
には、検知部材36の定格荷重の1/2までの予圧（荷重）
を加えておけばよい。予圧を加える際には、押圧力調節
部材38を徐々にねじ込んで行けばよい。押圧力調節部材
38をねじ込んで行けば、空間部27の間隔が広がり、それ
に伴い支持部材26に弾性力（復元力）が蓄勢されて、こ
の弾性力により突出部25を介して検知部40が予圧される
からである。したがって、検知部材36の定格荷重が例え
ばPkgであるとすれば、±1/2P・Ｒのトルクを検出する
とができる。この予圧は、必ずしも定格荷重1/2に設定
する必要はなく、検知部材36の例えば10％〜90％程度の
範囲内として、その中の設定点を増幅器（図示省略）で
の基準点（出力＝０）として正・逆方向の作動トルクを
検出することも可能である。予圧を検知部材36の定格の
10％以上とするのは、検知部材36や鋼球37が振動するこ
とによって検出精度が低下するのを防止するとともに、
検知部材36や鋼球37の接触部が振動により損耗するのを
防止するためである。

以上のごとくセットされた作動力検出装置35を用いて作
業を行なえば、作業時における負荷抵抗が負荷トルクと
して検出でき、正・逆回転方向のいずれの方向の作業力
（作動トルク）も正確に検出することができる。しか
も、この構成の場合には、作動力の検出は減速装置14の
減速過程における機械効率の低下によっては一切影響を
受けないので、きわめて精密な作動力の検出が行なえる
ものである。また、作動力検出装置35は、管状の駆動側
本体13内の適宜な空間部材に内装することができ、検知
部材36も単純な荷重計にて構成してあるので、アニピュ
レータ１における腕部3,4等をきわめて細腕にてコンパ
クトにて構成できる。また、逆転時においても、作動力
検出装置35においてガタあるいはバックラッシュがない
ので、正確性が保障される。しかも、長期間使用に対す
る安定性もきわめて良好であり、歪ゲージのごとき長期
間使用による不安定要素がない。また、小型、軽量の高
速モーター等の駆動装置12を大きく減速して使用して
も、作動トルクの検出、調整には不都合が生ぜず、した
がって、装置の小型化かつ強力化が図れる。

特に、この装置においては、Ｃ型状の支持部材26には変
位の少ない一端部28のみにて固定されているとともに、
撓みの発生する部分が空隙部33,34を介して他の部分と
の接触を防止されているので、撓み等の変動に対しても
ヒステリシスが小さく、安定した検出精度を得ることが
できる。しかも、支持部材26は、駆動側本体13内の適宜
な空間部を利用できるので、コンパクト化を図りながら
組込むことができる等の著効を奏するものである。

本出願人の製造しているバイラテラルマスタスレーブマ
ニピュレータにおいては、作動力を検出するため上述し
た作動力検出装置と同様な検出構造を採用している。第
５図はその概略構成である。第５図において直流モータ
100（第３図及び第４図において駆動装置12に対応す
る：以下同様に対応部材をカッコ内に示す）は駆動アー
ム101（管状本体12に対応）内に備えられており、直流
モータ100のステータ100aはベアリングB₁を介して駆動
アーム101に回転自在に支持されている。直流モータ100
には減速装置102（減速装置14に対応）が連結されてお
り、ステータ100aと減速装置102のケーシング102aとが
固定されるとともに、モータの出力軸100bがカップリン
グＣを介して一方の減速軸102bに連結され、他方の減速
軸102cが被駆動アーム103（作動部材16に対応）に連結
されている。減速装置102には更にベアリングB₂,B₃及び
減速ギア機構Ｇが備えられている。そして直流モータ10
0と減速装置102とによりギア付サーボモータが構成され
ている。

駆動アーム101には弾性材104（支持部材26に対応）が備
えられており、この弾性材104の弾力によりステータ100
aの回転が規制される。このためステータ100aの回転角
は一定位置を中心して正負方向にわたり所定範囲内に納
まる。そして、弾性材104とステータ100aとの間にロー
ドセルやトルクセンサなどの検出センサ105aが設置され
ており、その設置位置12出力軸100bの軸芯から径方向に
距離Ｒへだてた位置にある。

上述した第５図の構成により力検出をする原理を、次に
簡単に説明する。

（ｉ）スレーブアームの先端に外力を与えたときに減
速軸102cが受けるトルクをTlとすると、その力がケーシ
ング102a→ステータ100a→検出センサ105へと、伝わ
り、検出センサ105はを受けそれに相当する電圧を出力する。

（ii）一方、直流モータ100に電流を流し出力軸100b
によりT_mのトルクを発生すると、ステータ100aはその反
力を受けそれが検出センサ105に作用するため、検出セ
ンサ105はを受けそれに相当する電圧を出力する。

上記のように、第５図の機構の場合、検出センサ105か
ら出力される力の信号は、外力の他にモータトルクの影
響も情報として含むことになる。

現状のマスタスレーブマニピュレータのバイラテラル制
御のアルゴリズムは、第６図に示すように、マスタアー
ムからの位置指令に基づいて、スレーブ位置信号を入力して出力角θ_ｌを得てスレーブアームを位置制御
するものであり、位置制御ループがメジャーループとな
っている。一方、検出センサ105の信号値は、外力を受
けて発生するトルクT_lによる信号と、スレーブアームを
位置制御するときにモータトルクの反力を受けて発生す
るトルクT_mによる信号との差に対応している。この検出
センサ105の検出信号をマスタ側に帰還して、スレーブ
からマスタへの反力としている。

D. 発明が解決しようとする問題点ところで第６図に示す従来のバイラテラル制御の反力検
出方法では、外力が無いときでも、スレーブを動かす
と、モータトルクを発生するので、スレーブから反力信
号をマスタへ送ることになり、マスタ側操作者は反力を
感じてしまい操作性を悪くする。この現象は、スレーブ
に加速度を持った動作をさせた時に著しくなる。

本発明は、上記従来技術に鑑み、モータトルクによる反
力がマスタへ帰還することのない、バイラテラルマスタ
スレーブマニピュレータの反力検出方法を提供するもの
である。

E. 問題点を解決するための手段上記問題点を解決する本発明は、スレーブアームの駆動
アーム内に駆動モータを備え、この駆動モータのステー
タを駆動アームにより回転自在に支持するとともに駆動
モータの出力軸を被駆動アームに連結し、更に前記ステ
ータの回転角を一定位置を中心にして所定範囲内に納め
るようにステータの回転を弾性材により規制し、弾性材
とステータの間に配置されてステータの回動圧力を検出
する検出センサを備えているバイラテラルマスタスレー
ブマニピュレータにおいて、前記駆動モータの電機子電流I_aに、モータトルク定数K_T
と前記出力軸の軸芯から検出センサまでの距離Ｒのを、前記検出センサの出力信号に加え合せた値を、スレ
ーブが外部から受けた外力とみなしてこれをマスタアー
ムへの反力として帰還することを特徴とする。

F. 実施例以下に本発明方法を説明する。第１図は第５図に示す構
成を有するバイラテラルマスタスレーブマニピュレータ
を制御する本発明方法を示すブロック図である。同図に
示すように本方法では電機子電流I_aに、モータトルク定
数K_Tと、出力軸100b（第５図参照）の軸芯と検出センサ
までの距離Ｒのとを乗算して、乗算値を求める。そしてこの乗算値を、検出センサ105の検出値F_Sに加え、この加算値をマスタアーム例に帰還させる。このとき検出値であるので加算値となる。つまり加算値Ｆにはモータトルクによる影響は
まったく含まれず、真の外力（＝反力）のみを示すこと
となる。つまり、乗算値を検出センサの検出値F_Sに加えることにより、モータト
ルク干渉分を消去でき、これにより真の外力が得られ、反力Ｆとしてマスタ側へ帰還し、これにより
マスタ側の操作者は真の反力のみを感ずるようになる。

なお位置制御ループは、第６図に示す従来方法と同じで
ある。

G.発明の効果以上説明したように本発明によれば次のような効果を得
る。

（１）バイラテラルマスタスレーブマニピュレータの
スレーブアームが外部から受ける外力を正確に検出でき
る。

（２）上記スレーブアームが受ける外力を正確にマス
タへ反力として帰還できる。

（３）上記マニピュレータのバイラテラル感度を向上
できる。

（４）無負荷時にスレーブを急激に動作させても、操
作者に与える反力がなくなり、操作性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を示す制御ブロック図、第２図はマ
ニピュレータを示す構成図、第３図はマニピュレータの
作動力検出装置を示す構成図、第４図は第３図のIV−IV
線断面図、第５図はバイラテラルマスタスレーブマニピ
ュレータに用いている作動力検出装置を示す概略構成
図、第６図は従来のバイラテラル制御を示す制御ブロッ
ク図である。図面中、 100は直流モータ、 100aはステータ、 100bは出力軸、 101は駆動アーム、 102は減速装置、 102aはケーシング、 102b,102cは減速軸、 103は被駆動アーム、 104は弾性材、 105は検出センサ、 I_aは電機子電流、 K_Tはモータトルク定数、Ｒは距離、 F_Sは検出センサ出力信号である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スレーブアームの駆動アーム内に駆動モー
タを備え、この駆動モータのステータを駆動アームによ
り回転自在に支持するとともに駆動モータの出力軸を被
駆動アームに連結し、更に前記ステータの回転角を一定
位置を中心にして所定範囲内に納めるようにステータの
回転を弾性材により規制し、弾性材とステータの間に配
置されてステータの回動圧力を検出する検出センサを備
えているバイラテラルマスタスレーブマニピュレータに
おいて、前記駆動モータの電機子電流I_aに、モータトルク定数K_T
と前記出力軸の軸芯から検出センサまでの距離Ｒのを、前記検出センサの出力信号に加え合せた値を、スレ
ーブが外部から受けた外力とみなしてこれをマスタアー
ムへ反力として帰還することを特徴とするバイラテラル
マスタスレーブマニピュレータの反力検出方法。