JPH0215349B2

JPH0215349B2 -

Info

Publication number: JPH0215349B2
Application number: JP15468084A
Authority: JP
Inventors: Masanori Suzuki
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1984-07-25
Filing date: 1984-07-25
Publication date: 1990-04-11
Also published as: JPS6133878A

Description

[Detailed description of the invention]

〔発明の利用分野〕本発明は、原子力発電プラントなど人間が容易
には接近し難い環境において、遠隔操作により保
守作業をするのに好適でテレビモニタシステムを
含むマニプレータシステムの制御装置に関する。〔発明の背景〕従来のマスタ・スレーブ式マニプレータの遠隔
操作方法としては、特開昭59−24973号、特開昭
59−47174号等がある。その中で一対のテレビカ
メラを用いて立体映像を得て操作する例として
は、特開昭58−137575号がある。この例では、ス
レーブマニプレータの立体映像とマスタマニプレ
ータとを等しい大きさで同時に重ねて観察できる
ようにしてある。しかしオペレータの視覚に映る
マスタマニプレータの実像とスレーブマニプレー
タの虚像の大きさがわずかでも異なると、マスタ
マニプレータの動きとスレーブマニプレータの動
きの相対ずれが位置によつて異なり、観察も操作
も極めてしにくい問題があつた。また、マスタマニプレータの実像の前方にスレ
ーブマニプレータの虚像を離しておき、この影響
を抑えた場合には、像が小さいこともあつてマニ
プレータに微小な動きを実現させることは困難で
あつた。これらの原因は、マニプレータの動力伝
達機構部にあるバツクラツシユや摩擦であり、ま
た視覚情報が十分に与えられていないことであ
る。〔発明の目的〕本発明の目的は、モニタテレビ上の映像をみな
がら操縦するマニプレータにおいて、オペレータ
がマニプレータの微小動作や微妙な力を容易に制
御でき、スレーブマニプレータを実視しているの
と変わらない臨場感を得るのに好適なマニプレー
タの制御装置を提供することである。〔発明の概要〕本発明は、ズームレンズを有するテレビカメラ
とテレビモニタとマスタ・スレーブマニプレータ
とからなるシステムにおいて、テレビモニタの映
像の倍率Ｍに応じて、マスタアームの動きを拡
大・縮少しスレーブに伝える制御回路を設ける。
この回路によりテレビ画面上のスレーブ先端の移
動量とマスタアーム先端の移動量がズーム倍率に
よらず一定になるように制御する。この結果、ス
レーブアームの動きをとらえたオペレータの視覚
情報とマスタアームを操作するオペレータの腕の
動きとが一致し、オペレータとスレーブアームと
の一体感が増す。従来はズームアツプした場合、
テレビ画面上のスレーブアームの動きがマスタア
ームに比し大きくなるため、操作が困難であつ
た。しかし本発明によれば、テレビ画面上のスレ
ーブ先端の移動量とマスタアーム先端の移動量と
がズーム倍率によらず一定であるので、マニプレ
ータの操作性が向上する。〔発明の実施例〕以下、本発明の一実施例を図面によつて説明す
る。第２図は本発明を適用するシステム構成を示
したものである。本システムは、オペレータ９が
操作するマスタマニプレータ１ａと、それと相似
な形状で現場作業するスレーブマニプレータ１ｂ
と、作業現場を撮影するテレビカメラ６と、オペ
レータ９が遠方から作業現場を観察するためのテ
レビモニタ５と、制御装置１５とから構成され
る。マスタマニプレータ１ａは架台２から吊下げ
られている。マスタマニプレータ１ａは、肩関節
１０ａ、肘関節１１ａ、手首関節１２ａを有し、
腕の自由度は６である（動作方向は１０１ａ〜１
０６ａ）。また、スレーブマニプレータ１ｂも同
様に肩関節１０ｂ、肘関節１１ｂ、手首関節１２
ｂを有し、腕の自由度は６である（動作方向は１
０１ｂ〜１０６ｂ）。両マニプレータの各関節の
回転角は、自由度毎に独立制御される。すなわ
ち、第１表に示すようにマスタベース回転方向１
０１ａの関節とスレーブベース回転方向１０１ｂ
の関節とが一組を構成し、またマスタ肩関節回転
方向１０２ａとスレーブ肩関節回転方向１０２ｂ
の各関節が一組を構成し、以下同様に各自由度毎
に組を構成す [Field of Application of the Invention] The present invention relates to a control device for a manipulator system including a television monitor system, which is suitable for performing maintenance work by remote control in an environment that is difficult for humans to easily access, such as a nuclear power plant. [Background of the Invention] Conventional remote control methods for master-slave type manipulators are disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 59-24973 and Japanese Patent Application Laid-Open No.
There are issues such as No. 59-47174. An example of using a pair of television cameras to obtain and manipulate stereoscopic images is JP-A-58-137575. In this example, the stereoscopic image of the slave manipulator and the master manipulator can be viewed simultaneously in equal size and superimposed. However, if the real image of the master manipulator and the virtual image of the slave manipulator that appear to the operator's vision differ even slightly in size, the relative deviation between the movement of the master manipulator and the movement of the slave manipulator will vary depending on the position, making observation and operation extremely difficult. There was a problem. Furthermore, if the virtual image of the slave manipulator is placed in front of the real image of the master manipulator to suppress this effect, it is difficult to make minute movements of the manipulator, partly because the image is small. These causes include bumps and friction in the power transmission mechanism of the manipulator, and insufficient visual information. [Object of the Invention] An object of the present invention is to enable the operator to easily control minute movements and subtle forces of the manipulator in a manipulator operated while viewing images on a monitor television, and to enable the operator to easily control the minute movements and subtle forces of the manipulator while viewing the image on a monitor television. It is an object of the present invention to provide a control device for a manipulator suitable for obtaining an unchanging sense of realism. [Summary of the Invention] The present invention provides a system consisting of a television camera with a zoom lens, a television monitor, and a master/slave manipulator, in which the movement of a master arm is expanded or contracted in accordance with the magnification M of the image on the television monitor. A control circuit will be provided to transmit the information.
This circuit controls the amount of movement of the tip of the slave on the television screen and the amount of movement of the tip of the master arm to be constant regardless of the zoom magnification. As a result, the operator's visual information capturing the movement of the slave arm matches the movement of the operator's arm operating the master arm, increasing the sense of unity between the operator and the slave arm. Previously, when zooming in,
The movement of the slave arm on the TV screen was larger than that of the master arm, making it difficult to operate. However, according to the present invention, the amount of movement of the tip of the slave on the television screen and the amount of movement of the tip of the master arm are constant regardless of the zoom magnification, so the operability of the manipulator is improved. [Embodiment of the Invention] An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 2 shows a system configuration to which the present invention is applied. This system consists of a master manipulator 1a that is operated by an operator 9, and a slave manipulator 1b that has a similar shape and works on site.
, a television camera 6 for photographing the work site, a television monitor 5 for the operator 9 to observe the work site from a distance, and a control device 15. The master manipulator 1a is suspended from a pedestal 2. The master manipulator 1a has a shoulder joint 10a, an elbow joint 11a, and a wrist joint 12a,
The degree of freedom of the arm is 6 (the direction of movement is 101a to 1
06a). Similarly, the slave manipulator 1b also has a shoulder joint 10b, an elbow joint 11b, and a wrist joint 12.
b, and the degree of freedom of the arm is 6 (the direction of motion is 1
01b-106b). The rotation angle of each joint of both manipulators is independently controlled for each degree of freedom. That is, as shown in Table 1, the master base rotation direction 1
01a joint and slave base rotation direction 101b
The joints constitute one set, and the master shoulder joint rotation direction 102a and the slave shoulder joint rotation direction 102b
Each joint constitutes one set, and the following similarly constitutes a set for each degree of freedom.

【表】る。各関節は制御装置１５によつて、各組毎に独
立制御される構成になつている。カメラ用アーム
４はその一端がスレーブ肩関節１０ｂと連結され
ており、他の一端にはテレビカメラ６が装着され
ている。スレーブアーム１ｂを含めた現場の状況
が、ズームレンズ７を介してテレビカメラ６によ
りとらえられ、その映像がオペレータ９の近くに
あるモニタテレビ５に映し出される。オペレータ
はこの映像を視ながら、マスタマニプレータ１ａ
を操作し、スレーブマニプレータ１ｂを操縦す
る。各関節の制御装置は、各組別に同一の構成であ
るから、一組の関節を例にとつて説明する。第１図は一組の関節の制御機構である。マスタ
関節軸１６ａには、力センサ２２ａとモータ２０
ａと位置検出器２１ａが連動するように連結され
ている。同じくスレーブ関節軸１６ｂには、力セ
ンサ２２ｂとモータ２０ｂと位置検出器２１ｂが
連動するように連結されている。ズームレンズ７
はスイツチ３７からのズーム指令信号C_Zによつ
てそのズーム倍率Ｍが変わる。現在のズーム倍率
Ｍは、検出器２３により検出される。ズーム倍率
信号Ｍとマスタ現在位置信号P_Mは演算器２９に
入力される。演算器２９の出力はP_M／（k₁M）
となり、スレーブ位置目標設定器３１に入力され
る。スレーブ位置目標設定器３１の出力P_SRは、
スレーブ位置検出器２１ｂの出力信号P_Sとともに
演算器２４に入力される。演算器２４の出力P_SR
−P_Sはスレーブモータ２０ｂに入力される。ま
た、スレーブ現在位置信号P_Sとズーム倍率信号Ｍ
は演算器２８に入力され、k₁MP_Sとなる。演算器
２８の出力信号k₁MP_Sは、マスタ現在位置信号
P_Mとともに演算器２６に入力され（k₁MP_S−P_M）
となる。この出力信号はスイツチ３４に入力され
る。スレーブ力検出器２２ｂの出力信号F_Sは、ズ
ーム倍率信号Ｍとともにマスタ力指令設定器３５
に入力され、マスタ力指令値F_MRとなる。マスタ
力検出器２２ａの出力信号であるマスタ力現在信
号F_Mはマスタ力指令値F_MRとともに減算器２５に
入力され、出力（F_MR−F_M）となる。信号（F_MR
−F_M）は、スイツチ３４の出力信号とともに加
算器２７を介してマスタモータ２０ａに入力され
る。ズーム信号Ｍは、ゲート発生回路３０に入力
され、下記のゲート信号G₁が出力される。ゲート信号G₁は、スレーブ位置目標設定器３
１及びスイツチ３４に入力される。スレーブ位置
目標設定器３１の出力信号P_SRは、ゲート信号G₁
に応じて下記のようになる。 P_SR＝P_M／（k₁M）（G₁＝０） P_SRO （G₁＝１）ここに、P_SROはG₁が０から１に変化する直前の
P_M／（k₁M）である。スイツチ３４の出力信号P_MEは P_ME＝０（G₁＝０） k₁MP_S （G₁＝１）となる。また、スイツチ３５の出力であるマスタ力指令
値F_MRは、スイツチ３６からのモード指令信号C_F
及び上記ゲート発生回路３０からのゲート信号
G₁に応じて下記のようになる。 F_MR＝０（G₁＝１） k₂F_S （G₁＝０、C_F＝０） k₂MF_S （G₁＝０、C_F＝１）なお、パラメータC_Fは、スレーブからマスタ
に伝達する力の制御モードを定める指令信号であ
り、伝達する力の大きさをズーム倍率に応じて変
化させるか否かを選択するために用いる。以上まとめると、マスタ及びスレーブのモータ
２０ａ，２０ｂに入力される信号はズーム倍率ｍ
とモード指令信号C_Fの状態に応じて、第２表の
ようになる。 C_F、C_Zは、第２図に示す制御装置１５に装着
されたスイツチ３６，３７の出力信号であり、オ
ペレータの操作によつて変化する。[Table] Each joint is configured to be independently controlled for each group by the control device 15. One end of the camera arm 4 is connected to the slave shoulder joint 10b, and a television camera 6 is attached to the other end. The situation at the site including the slave arm 1b is captured by a television camera 6 through a zoom lens 7, and the image is displayed on a monitor television 5 located near an operator 9. While viewing this video, the operator selects the master manipulator 1a.
to operate the slave manipulator 1b. Since the control device for each joint has the same configuration for each group, one set of joints will be described as an example. FIG. 1 shows a control mechanism for a set of joints. The master joint shaft 16a includes a force sensor 22a and a motor 20.
a and the position detector 21a are connected so as to be interlocked. Similarly, a force sensor 22b, a motor 20b, and a position detector 21b are connected to the slave joint shaft 16b so as to be interlocked with each other. zoom lens 7
The zoom magnification M changes depending on the zoom command signal C _Z from the switch 37. The current zoom magnification M is detected by the detector 23. The zoom magnification signal M and the master current position signal P _M are input to the calculator 29 . The output of the calculator 29 is P _M /(k ₁ M)
This is input to the slave position target setting device 31. The output _PSR of the slave position target setter 31 is
It is input to the calculator 24 together with the output signal P _S of the slave position detector 21b. Output P _SR of computing unit 24
-P _S is input to the slave motor 20b. In addition, slave current position signal P _S and zoom magnification signal M
is input to the arithmetic unit 28 and becomes k ₁ MP _S. The output signal k ₁ MP _S of the calculator 28 is the master current position signal
It is input to the calculator 26 along with P _M (k ₁ MP _S − _{P M} )
becomes. This output signal is input to switch 34. The output signal F _S of the slave force detector 22b is transmitted to the master force command setting device 35 along with the zoom magnification signal M.
is input into the master force command value _FMR . The master force current signal _FM , which is the output signal of the master force detector 22a, is input to the subtracter 25 together with the master force command value F _MR , and becomes an output (F _MR _-FM ). Signal (F _MR
-F _M ) is input to the master motor 20a via the adder 27 together with the output signal of the switch 34. The zoom signal M is input to the gate generation circuit 30, and the following gate signal _G1 is output. Gate signal G ₁ is slave position target setter 3
1 and switch 34. The output signal _PSR of the slave position target setter 31 is the gate signal _G1
Depending on the situation, it will be as follows. P _SR = P _M / (k ₁ M) (G ₁ = 0) P _SRO (G ₁ = 1) Here, P _SRO is the value immediately before G ₁ changes from 0 to 1.
P _M /(k ₁ M). The output signal P _ME of the switch 34 becomes P _ME =0 (G ₁ =0) k ₁ MP _S (G ₁ =1). In addition, the master force command value F _MR which is the output of the switch 35 is the mode command signal C _F from the switch 36.
and a gate signal from the gate generation circuit 30
Depending on G ₁ , it will be as follows. F _MR = 0 (G ₁ = 1) k ₂ F _S (G ₁ = 0, C _F = 0) k ₂ MF _S (G ₁ = 0, C _F = 1) Note that the parameter C _F is This is a command signal that determines the control mode for the force to be transmitted to the camera, and is used to select whether or not to change the magnitude of the force to be transmitted in accordance with the zoom magnification. To summarize the above, the signals input to the master and slave motors 20a and 20b have a zoom magnification m
and the state of the mode command signal C _F as shown in Table 2. C _F and C _Z are output signals of switches 36 and 37 mounted on the control device 15 shown in FIG. 2, and change depending on the operator's operation.

〔Effect of the invention〕

本発明によれば、ズーム倍率Ｍに応じて、スレ
ーブマニプレータの動きが１／Ｍ倍となるので、
モニタテレビ上のマニプレータの映像の動作量
は、ズーム倍率に無関係にオペレータの指令値の
みに依存し、マニプレータの微妙な動作の操作性
が飛躍的に向上する。 According to the present invention, the movement of the slave manipulator is multiplied by 1/M according to the zoom magnification M.
The amount of movement of the image of the manipulator on the monitor television depends only on the operator's command value, regardless of the zoom magnification, and the operability of delicate movements of the manipulator is dramatically improved.

[Brief explanation of drawings]

第１図は本発明によるマニプレータの制御装置
の一実施例を示すブロツク図、第２図は本発明を
適用すべきマニプレータシステムの一例を示す概
略図、第３図はマスタとスレーブの動作角の関係
を示す図、第４図はマスタとモニタテレビ画面上
のスレーブの移動量との関係を示す図である。１……マニプレータ、４……カメラ用アーム、
５……モニタテレビ、６……テレビカメラ、７…
…ズームレンズ、１５……制御装置、２０……モ
ータ、２１……位置検出器、２２……力センサ、
２３……ズーム倍率検出器、２４〜２９……演算
器、３０……ゲート発生回路、３１……スレーブ
位置目標設定器、３４……スイツチ、３５……マ
スタ力指令設定器、３６，３７……制御装置１５
のスイツチ。 FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a manipulator control device according to the present invention, FIG. 2 is a schematic diagram showing an example of a manipulator system to which the present invention is applied, and FIG. 3 is a block diagram showing an example of a manipulator system to which the invention is applied. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the master and the movement amount of the slave on the monitor television screen. 1... Manipulator, 4... Camera arm,
5...Monitor TV, 6...TV camera, 7...
...Zoom lens, 15...Control device, 20...Motor, 21...Position detector, 22...Force sensor,
23...Zoom magnification detector, 24-29...Arithmetic unit, 30...Gate generation circuit, 31...Slave position target setter, 34...Switch, 35...Master force command setter, 36, 37... ...control device 15
switch.

Claims

[Claims] 1. In a control device for a manipulator system including a master-slave type manipulator, a television camera, and a television monitor, a value proportional to the value obtained by dividing the current position information of the master by the zoom magnification of the television camera is calculated for the slave. 1. A control device for a manipulator, comprising a control circuit that uses position information to make the amount of movement of the manipulator displayed on a television monitor substantially equal to the amount of movement of a master, regardless of the zoom magnification. 2. In the control device according to claim 1,
A control device for a manipulator, comprising a circuit that uses force information proportional to the product of current force information of a slave and a zoom magnification as force command information of a master. 3. In the control device according to claim 1 or 2, the parameters for determining the master motor signal are the force signals of the master and slave when there is a time change in the zoom magnification; 1. A control device for a manipulator, comprising a switching circuit that uses master and slave position information when there is no master and slave position information. 4 In the control device according to claim 3,
A control device for a manipulator, comprising a circuit that fixes a slave joint at a current position when a time change in zoom magnification is not zero.