JPS5949153B2 - マスタ−・スレ−ブ型サ−ボマニプレ−タ - Google Patents

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ー
（主動）側を操従するオペレータの手、腕等の力の感覚
としてフィードバックされる力反射（バイラテラル）型
マスター・スレーブ型サーボマニプレータに関する。

この種の従来のマニプレータとして、第１図に示す双動
形サーボ機構がある。

同図は電動式のもので、オペレータがマスター軸ＩＭを
ある方向に回転させると、それによつて生じるマスター
軸ＩＭとスレーブ軸Ｉｓの角度偏差信号εθが各々の角
度検出器２Ｍ、２ｓによつて検出され、この信号εθが
スレーブ側のサーボ増幅器３ｓを通してサーボ４ｓの駆
動力とされ、サーボモータ４ｓによりスレーブ軸Ｉｓの
角度θ２がマスター軸ＩＭの角度θ１と一致する方向に
駆動される。一方、両軸ＩＭ、ｌｓに設けられたトルク
検出器５Ｍ、５ｓによつて夫々の発生トルクＴｌ、Ｔ２
が検出され、その偏差信号εＴがマスター側のサーボ増
幅器３Ｍに与えられ、この増幅器３Ｍの出力で駆動され
るサーボモータ４Ｍによつてマスター軸ＩＭのトルクＴ
ｌがスレーブ軸ＩｓのトルクＴ２と一致するよう、駆動
される。かくして、マスター軸ＩＭに与えられた角変位
はスレーブ軸Ｉｓに忠実に再現され、かつスレーブ軸Ｉ
ｓの負荷に応じたトルク（力）をマスター軸ＩＭを操従
するオペレータに感じさせることができる。このマニプ
レータは、視覚による操作状況のほかに物体からの反作
用があるため作業性に優れるが、スレーブ軸の角度をマ
スター軸のそれに精度良く一致させかつ応答速度を高く
するためには、サーボ増幅器３ｓ、３Ｍの増幅度（ゲイ
ン）を大きくしてサーボ剛性を高める必要がある。

しかし、サーボ剛性を大きくすると、スレーブ軸が高剛
性の固定物体に触れたときにサーボモータ４ｓの飽和ト
ルクに対応した大きなスレーブ軸トルクＴ２がマスター
軸ＩＭにも急激に発生するため、オペレータは安定に操
縦できないという問題があつた。本発明は、局部的なト
ルク帰還さらにその制御ループに非線形要素を付加する
ことによつて、作業性及び操縦性に優れる駆動型サーボ
機構による力反射型マスター ・スレーブ型サーボマニ
プレータを提供することを目的とする。第２図は本発明
の一実施例を示す構成図である。

同図においてはマスター側サーボ増幅器３Ｍに各軸のト
ルク検出器５Ｍ，５ｓによつて検出されたトルク偏差信
号εＴ＝Ｋｆ２Ｔ２−ＫｆｌＴＴが入力され増巾されて
その出力がサーボモータ４Ｍに供給される。また、スレ
ープ側増巾器３ｓには角度検出器２Ｍ，２ｓによつて検
出された角度偏差信号εθ＝ｋθ（θ，−θ２）を線形
あるいは非線形な特性の変換器６に入力して得たその出
力信号ε２＝ｇ・εθと、スレープ軸上のトルク検出器
５ｓにより得たトルク信号ε，２＝Ｋｆ２Ｔ２との差（
ε２−５２）が入力され、増巾されて、その出力はサー
ボモータ４ｓに供給される。

である。

以上のように構成された双動型サーボ機構におけるマス
ター側とスレープ側における運動方程式は次のようにな
る。ここで である。

式（１），（２）をθ，，θ２，Ｔ，，Ｔ２の四変数と
してラプラス変換すればここで ただし Ｚ＝Ｒ＋ＳＬ となる。

スレープ軸１ｓに一定の負荷Ｔ，Ｏがある場合マスタ軸
１Ｍを一定の角速度ω１０で動かす時のオペレータの力
感覚Ｔ，Ｏはここで となる。

停止状態におけるトルク伝達比は（４）式においてω，
ｏ＝０またはＫｋｆｌ力叶分大きくＫｓ＋０とできてと
なり、Ｋｆｌ，ｋｆ２の値を選択することで任意の大き
さに設定することができる。

第１図で述べた従来のサーボ機構においてもトルクの伝
達比は（８）式と同じになる。次にサーボ剛性について
比較してみる。

となる。

スレープ軸を固定してマスター軸にある一定の角変位を
与えた時のマスター軸トルクの最終値と与えた角変位の
比で、剛性率を求めることができる。つまり（９成で、
ω２＝Ｏθ１＝θ１０／ＳＴＳ＝ＴｓＯ／Ｓ（θ１０，
ＴＳ０：定数）とした時のＴ，の最終値をＴｌＯとする
と、ここで Ｋｋ，ｋｆｌｎ，ｋｋｌｋｆ２ｎ〉Ｒとすれば、となる
ことがわかる。

（１２）式によるとサーボ剛性が増巾器の増巾率ｋばか
りでなく、サーボモータの抵抗や減速機によつても変化
するばかりか、大きな定数項も含んでいる。しかし本発
明では（）式で示されたようにｋθ，，，Ｋｆｌの三つ
の要素だけで決定できるので比較的自由に、剛性率を操
作できる。マスター軸のトルクは（８）式に示したよう
に、スレーブ軸の負荷トルクに比例するので、換言すれ
ばマスター軸は負荷トルクによつてねじられるねじりバ
ネを構成することになり、そのバネ定数が先の（１１）
式で与えられた剛性率に当る。しかもｋθ，Ｇ，ｋｆｌ
のいずれか（変換係数ｇであることが多いのだが）を非
線形な特性要素とすると、それと同じ特性の非線形バネ
の特性を得ることができる。特に変換器の係数ｇの大き
さを変えたり、非線形に操作するだけでは、ｋθやＫｆ
ｌが変化しないので、両軸の位置関係やトルク伝達比を
変化させることはない。特にこのような非線形バネ特性
はオペレータにとつて直接対象とする物体に働きかけて
いるような感覚をマスター軸上に再現することになるの
で、マスタースレーブサーボマニプレータとしてより一
層操縦感覚が向上し、作業性がよくなる。第３図及び第
４図に各々、トルク伝達比、バネ定数（剛性率）の一例
を示した。

また第５図は本発明の具体的な実施例である。

同図において、２Ｍ，２ｓはマスター軸１Ｍ１スレーブ
軸１ｓの角変位を検出するポテンシヨメータ、７，８Ｍ
，８ｓ，９Ｍ，９ｓは信号の増巾あるいは比較を行なう
演算増巾器、１１は掛算器を２個使つた三乗特性あるい
は半導体のＰＮ接合の順方向特性などによる非線形特性
を有する変換器である。この変換器１１は除去すること
もできて、その時には剛性の非線形特性は失われる。４
Ｍ，４ｓは電力増巾器、５Ｍ，５ｓはサーボモータで各
々１０Ｍ，１０ｓの減速機に直結されている。

６Ｍ，６ｓはひずみゲージを使つたトルク検出部でマス
ター軸１Ｍ１スレーブ軸１ｓのトルクを検出する。

以上は電動サーボの例であるが、サーボモータ、減速機
を油圧モータに、トルク検出を油圧検出とすることで電
気一油圧サーボで構成できることはいうまでもない。

以上のとおり、本発明は、物体からの反作用をマスタ側
にフイードバツクする力反射型マニプレータに双動型サ
ーボ機構を採用するにおいて、局部的なトルク帰還によ
つてマスター、スレーブ間のトルク伝達特性を損なうこ
となくサーボ剛性の制御が可能となり、高剛性の固定物
体に対しても安定した操縦ができる。

さらに、剛性の制御に非線形性を与えることでより一層
の操縦感覚、作業性を向上できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のマスター・スレーブ型サーボマニプレー
タの構成図、第２図は本発明の一実施例を示す構成図、
第３図及び第４図は第２図の動作を説明するための特性
図、第５図は本発明の具体的な実施例を示す図である。 １Ｍ・・・・・・マスター軸、１ｓ・・・・・・スレー
ブ軸、２Ｍ，２ｓ・・・・・・角度検出器、４Ｍ，４ｓ
・・・・・・サーボモータ、５Ｍ，５ｓ・・・・・・ト
ルク検出器、６・・・・・・特性変換器、１０Ｍ，１０
ｓ・・・・・・減速機、１１・・・・・・非線形特性変
換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ マスター軸とスレーブ軸の角度又は位置偏差に比例
   した信号と該スレーブ軸トルクに比例した信号の差を増
   幅してスレーブ軸を駆動する第１の制御系と、スレーブ
   軸トルクとマスター軸トルクのトルク偏差に比例した信
   号を増幅して該マスター軸を駆動する第２の制御系を備
   えたことを特徴とする駆動型サーボ機構による力反射型
   のマスター・スレーブ型サーボマニプレータ。 ２ 特許請求の範囲第１項において、第１の制御系は角
   度又は位置偏差に比例した信号を非線形変換した信号と
   スレーブ軸トルクに比例した信号の差を増幅してスレー
   ブ軸を駆動する構成にしたことを特徴とするマスター・
   スレーブ型サーボマニプレータ。