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JPS5932275B2 - Master/slave type servo manipulator - Google Patents
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JPS5932275B2 - Master/slave type servo manipulator - Google Patents

Master/slave type servo manipulator

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Publication number
JPS5932275B2
JPS5932275B2 JP11001079A JP11001079A JPS5932275B2 JP S5932275 B2 JPS5932275 B2 JP S5932275B2 JP 11001079 A JP11001079 A JP 11001079A JP 11001079 A JP11001079 A JP 11001079A JP S5932275 B2 JPS5932275 B2 JP S5932275B2
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JP
Japan
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torque
master
slave
axis
servo
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JP11001079A
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昭夫 西尾
征二 川合
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Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、スレーブ(従動)側の負荷トルクがマスタ(
主動)側を操縦するオペレータに返つてくる力反射型の
サーボマニピュレータに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION In the present invention, the load torque on the slave (driven) side is
This invention relates to a force-reflecting servo manipulator that returns force to the operator who controls the main drive side.

従来のマニピュレータでは駆動型サーボ機構(バイラテ
ラルサーボ機構)によつて構成されるが、従来の駆動型
サーボ機構はマスタ軸とスレーブ軸の位置又は角度偏差
信号さらには両軸の速度偏差信号を各々マスタ側、スレ
ーブ側に帰還しているが、サーボ系に存在する摩擦や粘
性抵抗によつてスレーブ軸負荷トルクが零であつてもマ
スタ軸を操作するのに大きなトルクを必要とした。改良
されたサーボマニピュレータとして、マスタ軸とスレー
ブ軸の位置又は角度偏差に応じた信号を各々マスタ側及
びスレーブ側に帰還すると共にマスタ側及びスレーブ側
において各軸のトルクに応じた信号を夫々自己軸に帰還
することで操縦性、作業性を向上したサーボマニピュレ
ータを本願出願人は既に提案している。本発明は、上記
の力反射型のサーボマニピュレータにおいて、マスタ側
のトルク信号帰還系にマスタ軸の一方向のトルク信号に
重畳して直流バイアスを印加できるバイアス回路を備え
ることにより、マスタ軸の一方向の動作、例えば指部の
開閉動作において開き動作にオペレータの操縦力に重畳
したバイアスを与え、操縦性、作業性を一層向上したサ
ーボマニピュレータを提供することを目的とする。
Conventional manipulators are composed of a drive-type servo mechanism (bilateral servo mechanism), but conventional drive-type servo mechanisms transmit position or angle deviation signals of the master axis and slave axis, as well as speed deviation signals of both axes. Although it is returned to the master and slave sides, a large torque is required to operate the master shaft even if the slave shaft load torque is zero due to the friction and viscous resistance present in the servo system. As an improved servo manipulator, a signal corresponding to the position or angle deviation of the master axis and slave axis is returned to the master side and the slave side, respectively, and a signal corresponding to the torque of each axis is sent back to the master side and the slave side respectively. The applicant has already proposed a servo manipulator that improves maneuverability and workability by returning to the original position. The present invention provides the above-mentioned force reflection type servo manipulator, in which the torque signal feedback system on the master side is provided with a bias circuit that can apply a DC bias superimposed on the torque signal in one direction of the master shaft. It is an object of the present invention to provide a servo manipulator that further improves maneuverability and workability by applying a bias superimposed on the operating force of an operator to the opening operation in a direction operation, for example, an opening/closing operation of a finger section.

第1図は本発明の一実施例を示す一関節のプロック図で
ある。
FIG. 1 is a block diagram of one joint showing an embodiment of the present invention.

マスタ軸11をオペレータがある方向に回転させると、
その操作によつて生じるマスタ軸とスレープ軸12との
角度偏差信号εが各各の角度検出器21,22の検出角
度θ1,θ2の比較から検出される。この信号εはマス
タ軸11に設けたトルク検出器31のトルク信号εt1
との差をサーボ増幅器41で増幅してサーボモータ51
の1駆動電圧とする。同様に、スレープ側では信号εと
スレープ軸12に設けたトルク検出器32のトルク信号
εT2との差を増幅器42を介してサーボモータ52に
与える。こうした基本構成によつて、マスタ側のサーボ
モータ51にはオペレータが与えた回転を止めようとす
る向きに電圧印加がなされ、同じ電圧がスレーブ側のサ
ーボモータには回転を加速する向きに印加され、マスタ
軸11に与えられた角度変位はスレーブ軸12に忠実に
再現され、かつスレーブ軸12の負荷に応じた力をマス
タ軸11を操作するオペレータに感じ取らせる。また、
トルク検出器31,32によるトルク帰還によつてサー
ボ系に存在する摩擦や粘性抵抗力を軽減し、物体に直接
働きかける作業に近いものにする。ここで、マスタ軸1
1のある方向の回転にはトルク検出器31のトルク信号
ε,1を直接に信号εを比較させ、該方向とは逆方向の
回転には信号εt1に直流バイアスVbを重畳して信号
εと比較できるようにしたバイアス回路6をマスタ側の
トルク信号帰還系に具える。
When the operator rotates the master shaft 11 in a certain direction,
An angular deviation signal ε between the master axis and the slave axis 12 generated by the operation is detected by comparing the detected angles θ1 and θ2 of the respective angle detectors 21 and 22. This signal ε is the torque signal εt1 of the torque detector 31 provided on the master shaft 11.
The servo amplifier 41 amplifies the difference between the
1 drive voltage. Similarly, on the slave side, the difference between the signal ε and the torque signal εT2 of the torque detector 32 provided on the slave shaft 12 is applied to the servo motor 52 via the amplifier 42. With this basic configuration, a voltage is applied to the servo motor 51 on the master side in a direction to stop the rotation given by the operator, and the same voltage is applied to the servo motor on the slave side in a direction to accelerate the rotation. The angular displacement applied to the master shaft 11 is faithfully reproduced on the slave shaft 12, and the operator operating the master shaft 11 can feel the force corresponding to the load on the slave shaft 12. Also,
The torque feedback by the torque detectors 31 and 32 reduces the friction and viscous resistance force existing in the servo system, making it similar to working directly on an object. Here, master axis 1
For rotation in a certain direction of 1, the torque signal ε, 1 of the torque detector 31 is directly compared with the signal ε, and for rotation in the opposite direction, a DC bias Vb is superimposed on the signal εt1 to compare the signal ε with the signal ε. A bias circuit 6 for comparison is provided in the torque signal feedback system on the master side.

これにより、マスタ軸のある方向の操作には従来と同等
の操縦力となり、逆方向の操作には弱い操縦力で済む。
従つて、例えば対象関節を指部とする場合、人間の指部
は開く向きの力が閉じる向きのそれよりも大変小さく、
また指部を閉じる向きの動きあるいは力で有効な作業を
行なうことが多いことから、指部の閉じる作業にはトル
ク信号にバイアスを与えずに有効な作業をなし、その作
業を終えて指部を開くときにはトルク信号にバイアスを
重畳して軽いトルクでの作業又はバイアス回路のみによ
る作業を可能にする。こうした制御が可能になることを
以下に説明する。
As a result, when operating the master axis in a certain direction, the same control force as before is required, and when operating the master axis in the opposite direction, a weak control force is required.
Therefore, for example, if the target joint is a finger, the force in the opening direction of the human finger is much smaller than that in the closing direction.
In addition, since effective work is often performed by movement or force in the direction of closing the finger, effective work is performed without biasing the torque signal for the work of closing the finger, and after the work is completed, the finger is closed. When opening, a bias is superimposed on the torque signal to enable work with light torque or work using only the bias circuit. The fact that such control becomes possible will be explained below.

第1図において、バイアス電圧Vbを与えないとき、角
度変差信号ε、トルク検出信号εTl,εT2は下記式
で表わされる。但し、kθは角度検出器21,22の発
生電圧係数、Kfはトルク検出器31,32の発生電圧
係数、θ1はマスタ軸11の角変位、θ2はスレーブ軸
12の角変位、T1はオペレータがマスタ軸11に与え
るトル久T2はスレーブ軸12の負荷トルクである。
In FIG. 1, when the bias voltage Vb is not applied, the angle difference signal ε and the torque detection signals εTl and εT2 are expressed by the following equations. However, kθ is the generated voltage coefficient of the angle detectors 21 and 22, Kf is the generated voltage coefficient of the torque detectors 31 and 32, θ1 is the angular displacement of the master shaft 11, θ2 is the angular displacement of the slave shaft 12, and T1 is the angular displacement of the slave shaft 12. The torque T2 applied to the master shaft 11 is the load torque of the slave shaft 12.

上記式において、サーボ増幅器41,42の増幅率及び
トルク検出器3,,32の発生電圧係数Kfが充分大き
いと、サーボ系の摩擦や粘性抵抗が無視でき、とおけ、
T,とT2はほぼ一致する。
In the above equation, if the amplification factors of the servo amplifiers 41 and 42 and the generated voltage coefficient Kf of the torque detectors 3 and 32 are sufficiently large, the friction and viscous resistance of the servo system can be ignored, and
T, and T2 almost match.

つまりサーボ増幅41,42の増巾率及びトルク検出器
31,32の発生電圧係数Kfが大きければ大きいほど
サーボ系の摩擦や粘性抵抗の影響を小さくすることがで
きるが、系を安定に保つために増巾率及び発生電圧係数
Kfはある有限の値に抑えなければならないので完全に
この影響を除くことはできない。次にバイアス電圧Vb
を与えた時には直流バイアス電圧Vbがマスタ側局部帰
還ループに挿入されて、スレープ軸トルクはとなる。
In other words, the larger the amplification factor of the servo amplifiers 41, 42 and the generated voltage coefficient Kf of the torque detectors 31, 32, the smaller the influence of friction and viscous resistance on the servo system, but in order to keep the system stable, Since the amplification factor and the generated voltage coefficient Kf must be suppressed to certain finite values, this influence cannot be completely eliminated. Next, bias voltage Vb
When , the DC bias voltage Vb is inserted into the master side local feedback loop, and the slave shaft torque becomes .

つまりマスター側のトルクT1が零でも、スレーブ軸V
b/Kfのトルクを生じて、負荷トルクと平衡するまで
回転する。このスレーブ軸の回転に伴ってマスター軸も
回転することはいうまでもない。第2図は指部の開き動
作をオペレータの操縦トルクT1ではなく、バイアス回
路6の操作によるバイアス電圧Vbによつて行なう具体
的な実施例を示す。
In other words, even if the torque T1 on the master side is zero, the slave axis V
It generates a torque of b/Kf and rotates until it is balanced with the load torque. It goes without saying that the master axis also rotates as the slave axis rotates. FIG. 2 shows a specific embodiment in which the opening operation of the fingers is performed not by the operator's steering torque T1 but by the bias voltage Vb generated by the operation of the bias circuit 6. As shown in FIG.

同図で、マスター側のレバー7をオペレータが操縦する
とその時のトルクT1が、歪ゲージによるトルク検出器
31でまた角変位θ1がポテンシヨメータ21で検出さ
れる。スレーブ側の指部8は四棒リンク機構でスレープ
軸12の回転運動を平行運動に変えているがその把握力
および開度は回転部分のトルク検出器32ポテンシヨメ
ータ22でT2,θ2として検出される。91,92は
信号増幅器、10,111,112は差動増幅器である
In the figure, when the operator operates the lever 7 on the master side, the torque T1 at that time is detected by the torque detector 31 using a strain gauge, and the angular displacement θ1 is detected by the potentiometer 21. The finger section 8 on the slave side uses a four-bar link mechanism to convert the rotational motion of the slave shaft 12 into parallel motion, and its grasping force and opening degree are detected as T2 and θ2 by the torque detector 32 and potentiometer 22 on the rotating section. be done. 91 and 92 are signal amplifiers, and 10, 111 and 112 are differential amplifiers.

41,42はパワートランジスタによる電力増巾器でサ
ーボモータ51,52を駆動する。
Reference numerals 41 and 42 are power amplifiers using power transistors, which drive the servo motors 51 and 52.

バイアス回路6のスイツチ61はオペレータ10の極く
近くに設置してあり、直流電圧側へ倒すとスレープ側指
部8およびマスター側指部のレバー7をいずれも開く向
きにトルクが発生する。第2図においてサーボモータ5
1,52、減速機121,122及びトルク検出器31
,32を各々サーポ弁、油圧モータ、圧力検出器に置き
換えることで、電気油圧サーボ機構としても構成できる
。第3図はトルク検出器31を歪ゲージによつて構成し
た場合直流バイアス電圧bの発生方法の一汐1を示す。
The switch 61 of the bias circuit 6 is installed very close to the operator 10, and when it is turned to the DC voltage side, torque is generated in the direction of opening both the slave side finger 8 and the master side finger lever 7. In Fig. 2, servo motor 5
1, 52, reducer 121, 122 and torque detector 31
, 32 can be replaced with a servo valve, a hydraulic motor, and a pressure detector, respectively, to form an electro-hydraulic servo mechanism. FIG. 3 shows a method for generating the DC bias voltage b when the torque detector 31 is constituted by a strain gauge.

4個の歪ゲージでブリツジを構成し、このゲージが取り
付けられたところの微少な歪、あるいはそれに比例する
トルクまたは力を検出する方法はすでによく知られてい
る。
A method is already well known in which a bridge is configured with four strain gauges and the gauges are installed to detect a minute strain or a torque or force proportional to the strain.

この例では、マスタ軸トルクT1が零の場合、第3図の
スィッチ61が開いていれば4個の歪ゲージ13〜16
の抵抗値Rl,R2,R3,R4としてRlR4=R2
R3だから点A,b間の電圧eも零である。次にスイッ
チ6,を閉じて、ゲージ15と並列にゲージの抵抗値よ
り比較的大きな値の抵抗R。を挿入すると、トルクT1
が零にもかかわらずブリツジの平衡がくずれて直流バイ
アス電圧ただし を生ずる。
In this example, when the master shaft torque T1 is zero, if the switch 61 in FIG. 3 is open, the four strain gauges 13 to 16
As the resistance values Rl, R2, R3, and R4, RlR4=R2
Since it is R3, the voltage e between points A and b is also zero. Next, switch 6 is closed, and a resistor R whose value is relatively larger than the resistance value of the gauge is connected in parallel with gauge 15. When inserting, the torque T1
Even though is zero, the balance of the bridge is disrupted and a DC bias voltage is generated.

この値は第2図のVbに相当し、指部を開く向きにトル
クを発生することになる。この方法では破線で囲まれた
トルク検出部が、第2図におけるレバー7の極く近くに
設けられて一点鎖線で囲まれた制御部と大きく隔れてい
ても、トルク検出用の4本の信号線をふやくことなく所
要のバイアス電圧Vbを発生できるという特徴がある。
なお、スィツチ61は抵抗R。と並列にして歪ゲージ1
5と直列に接続することでもよい。第4図はスプリング
17とその変位検出用のポテンシヨメータ18で構成さ
れたトルク検出器であるが、ポテンシヨメータの摺動端
子(出力端子)と電圧印加端子間にスイツチ61と抵抗
値R。
This value corresponds to Vb in FIG. 2, and generates a torque in the direction of opening the fingers. In this method, even if the torque detection part surrounded by the broken line is provided very close to the lever 7 in FIG. A feature is that the required bias voltage Vb can be generated without increasing the signal line.
Note that the switch 61 is a resistor R. strain gauge 1 in parallel with
5 may be connected in series. Fig. 4 shows a torque detector consisting of a spring 17 and a potentiometer 18 for detecting its displacement. .

の抵抗を挿入してスイツチ61を閉じれば第2図のバイ
アス電圧Vbに相当する、出力電圧eの変化を得ること
ができ、しかも第3図の場合と同様の特徴を有する。こ
の場合も、ポテンシヨメータの一端子に抵抗R。とスイ
ツチ61の並列接続体を設ける構成にできる。以上のと
おり、本発明によるサーボマニピユレータは、マスタ側
関節のトルク検出信号にスイツチと抵抗による少ない部
品構成のバイアス回路を具えるため、トルク信号に重畳
して一方向の操縦トルクを軽減又は操縦トルクを必要と
しない操作が可能となり、オペレータの操縦機能に適合
させたマニピユレータを提供できる。
By inserting a resistor and closing the switch 61, it is possible to obtain a change in the output voltage e corresponding to the bias voltage Vb in FIG. 2, and it has the same characteristics as the case in FIG. 3. Also in this case, resistor R is connected to one terminal of the potentiometer. The switch 61 and the switch 61 can be connected in parallel. As described above, the servo manipulator according to the present invention includes a bias circuit with a small number of parts consisting of a switch and a resistor for the torque detection signal of the master side joint, so that it is superimposed on the torque signal to reduce or reduce the steering torque in one direction. It is possible to perform operations that do not require a control torque, and it is possible to provide a manipulator that is adapted to the control function of the operator.

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

第1図は本発明の一実施例を示すプロツク構成図、第2
図は本発明の具体的な実施例を示す図、第3図及び第4
図は本発明におけるバイアス回路の実施例を示す回路図
である。 1ビ゜゜7スタ軸、12゜゜゜スレープ軸、21量22
・・・角度検出器、31,32・・・トルク検出器、4
1,42・・・サーボ増幅器、5,,52・・・サーボ
モータ、6・・・バイアス回路、61・・・スイツチ。
FIG. 1 is a block diagram showing one embodiment of the present invention, and FIG.
The figures are diagrams showing specific embodiments of the present invention, Figures 3 and 4.
The figure is a circuit diagram showing an embodiment of the bias circuit in the present invention. 1 bis 7 star axis, 12゜゜slave axis, 21 quantity 22
... Angle detector, 31, 32 ... Torque detector, 4
1, 42... Servo amplifier, 5, 52... Servo motor, 6... Bias circuit, 61... Switch.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 マスタ軸とスレープ軸の位置又は角度偏差に応じた
信号を検出する検出手段と、マスタ軸及びスレープ軸の
トルクを夫々検出する一対のトルク検出器と、上記マス
タ軸のトルク検出器のトルク検出信号のうち該マスタ軸
の一方向のトルク検出信号に重畳して直流バイアスを与
えるバイアス回路と、上記検出手段の検出信号とバイア
ス回路を通したマスタ軸のトルク検出信号との偏差を増
幅してマスタ軸を駆動するサーボモータの駆動電圧とす
る第1の増幅器と、上記検出手段の検出信号とスレープ
軸のトルク検出信号との偏差を増幅してスレープ軸を駆
動するサーボモータの駆動電圧とする第2の増幅器とを
備えたことを特徴とするマスタ・スレープ形サーボマピ
ユレータ。 2 特許請求の範囲第1項において、上記バイアス回路
は、歪ゲージのブリッジ接続としたマスタ軸のトルク検
出器のうちの1つの歪ゲージに抵抗器を直列又は並列接
続できる構成にしたことを特徴とするマスタ・スレープ
形サーボマニピュレータ。 3 特許請求の範囲第1項において、上記バイアス回路
は、マスタ軸のトルクに応じて回動角を変えるポテンシ
ョメータによるマスタ軸のトルク検出器に対して該ポテ
ンショメータの出力端子と他の一端子間に抵抗器を直列
又は並列接続できる構成にしたことを特徴とするマスタ
・スレープ形サーボマニピュレータ。
[Scope of Claims] 1. A detection means for detecting a signal according to the position or angular deviation between the master axis and the slave axis, a pair of torque detectors for detecting the torques of the master axis and the slave axis, respectively, and a pair of torque detectors for detecting the torque of the master axis and the slave axis, respectively, a bias circuit that applies a DC bias by superimposing the torque detection signal of the torque detector in one direction on the torque detection signal of the master shaft in one direction; and a torque detection signal of the master shaft that passes the detection signal of the detection means and the bias circuit; a first amplifier that amplifies the deviation between the detection means and the drive voltage of the servo motor that drives the master axis; and a servo that amplifies the deviation between the detection signal of the detection means and the torque detection signal of the slave axis to drive the slave axis. A master/slave type servo mapululator, characterized in that it is equipped with a second amplifier for providing a driving voltage for a motor. 2. In claim 1, the bias circuit is characterized in that a resistor can be connected in series or in parallel to one of the torque detectors of the master shaft in which the strain gauges are bridge-connected. Master slave type servo manipulator. 3. In claim 1, the bias circuit is configured to connect a master shaft torque detector using a potentiometer that changes a rotation angle according to the torque of the master shaft between the output terminal of the potentiometer and another terminal. A master slave type servo manipulator characterized by a configuration in which resistors can be connected in series or in parallel.
JP11001079A 1979-08-28 1979-08-28 Master/slave type servo manipulator Expired JPS5932275B2 (en)

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