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JPH0716898B2 - Manipulator joint control device - Google Patents
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JPH0716898B2 - Manipulator joint control device - Google Patents

Manipulator joint control device

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Publication number
JPH0716898B2
JPH0716898B2 JP60037669A JP3766985A JPH0716898B2 JP H0716898 B2 JPH0716898 B2 JP H0716898B2 JP 60037669 A JP60037669 A JP 60037669A JP 3766985 A JP3766985 A JP 3766985A JP H0716898 B2 JPH0716898 B2 JP H0716898B2
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JP
Japan
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master
slave
joint
joints
manipulator
Prior art date
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JP60037669A
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Inventor
征二 川合
Original Assignee
株式会社明電舍
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Publication date
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Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、マニピユレータ関節制御装置に係り、特にマ
スタスレープ形のバイラテラル力制御において特別な姿
勢にて力感覚がなくなるという不都合を除いた関節制御
装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION A. Field of Industrial Application The present invention relates to a manipulator joint control device, and more particularly to joint control that eliminates the inconvenience of losing force sensation in a special posture in master-slave type bilateral force control. Regarding the device.

B.発明の概要 この発明は、マスタスレーブ形のマニピユレータでのバ
イラテラル力制御において、特異点付近の作動状態を判
断して、マスタ側に対しスレーブ側を制御可能な状態に
置くようにしたことにより、誤動作や制御不能あるいは
故障を防止したものである。
B. Summary of the Invention In the present invention, in bilateral force control with a master-slave type manipulator, the operating state near the singular point is judged and the slave side is placed in a controllable state with respect to the master side. This prevents malfunction, out-of-control or failure.

C.従来の技術 マスタスレーブ形マニピユレータなど操作形マニピユレ
ータは、マスタ側の操作に伴うスレーブ側の負荷が力感
覚となつてマスタ側に戻るという、いわゆるバイラテラ
ル力制御を採用しており、力感覚によつて器用な操作が
可能とされている。この場合、多関節が用いられている
が、この関節数は代表的なものとして位置3自由度、姿
勢3自由度、及び把持1自由度の計7自由度程である。
例えば、第3図に示す関節構成にあつては、肩部の振上
げ振下げのための関節1、肘部のねじりの関節2、肘部
の曲げ関節3、手首の曲げ関節4、手首の他方向(図面
の表裏方向)への曲げ関節5、指部のねじりの関節6、
把手部7からなる。かかる構成で、第3図に示す状態
は、代表的な姿勢であつて各関節に力制御(又は力の検
出)可能としており、すなわち関節(センサ)に回転モ
ーメントが作用しており、指先にかかるあらゆる方向の
負荷(たとえば外力±FもしくはトルクT)をいずれか
の関節で検出可能である。
C. Conventional technology Operation-type manipulators such as master-slave manipulators employ so-called bilateral force control, in which the load on the slave side associated with the operation on the master side returns to the master side as a force sensation. This allows for dexterous operation. In this case, multiple joints are used, and the number of joints is typically 7 degrees of freedom including position 3 degrees of freedom, posture 3 degrees of freedom, and gripping 1 degree of freedom.
For example, in the joint configuration shown in FIG. 3, the joint 1 for swinging up and down the shoulder, the joint 2 for twisting the elbow, the bending joint 3 for the elbow, the bending joint 4 for the wrist, the joint 4 for the wrist, Bending joint 5 in the other direction (front and back directions in the drawing), joint 6 for twisting fingers,
It consists of a handle 7. With such a configuration, in the state shown in FIG. 3, force control (or force detection) can be performed on each joint in a typical posture, that is, a rotational moment acts on each joint (sensor), and The load in every direction (for example, external force ± F or torque T) can be detected by any joint.

D.発明が解決しようとする問題点 上述のような関節構成においては、第4図に示すように
関節1〜7を直線上に伸長した場合、直線上に伸ばした
腕と同一軸上へ作用する外力±Sは、センサがないこと
もあつてその関節によつても検出又は対応することがで
きなくなる。このように腕を伸ばす姿勢は、しばしば生
じ、たとえば垂直下向きや水平方向がある。この関節が
一直線に並ぶ姿勢においては、力感覚がなくなるので、
過大な外力±Sによつてマニピユレータが従動的に作動
したり力検出ができないため、損傷することが生ずる。
結局、重大な誤操作や、故障の原因となることが判明し
た。
D. Problems to be Solved by the Invention In the joint structure as described above, when the joints 1 to 7 are extended linearly as shown in FIG. 4, they act on the same axis as the arm extended linearly. The external force ± S to be applied cannot be detected or dealt with even by the joint because there is no sensor. Such a posture of extending the arm often occurs, for example, vertically downward or horizontally. In this posture where the joints are aligned, there is no sense of force, so
Excessive external force ± S causes the manipulator to be driven passively and cannot detect force, resulting in damage.
In the end, it became clear that it could cause serious malfunction or failure.

この特異点における問題を解決する場合として、基台部
Bに多方向の力検出器をつけて、検討・制御することも
可能であるが、その場合は全関節の姿勢の状態を考慮し
て検討演算しなければならず、実用的でない。
In order to solve the problem at this singular point, it is possible to attach a multi-directional force detector to the base part B to examine and control, but in that case, consider the state of the postures of all joints. It has to be calculated and is not practical.

本発明は、上述の欠点に鑑み特別な姿勢となる指令を検
出して関節が特別な姿勢に直にならず、力感覚がなくな
らないようにしたマニピユレータ関節制御装置の提供を
目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks, and an object of the present invention is to provide a manipulator joint control device which detects a command for a special posture so that the joint does not become a special posture and the sense of force is not lost.

E.問題点を解決するための手段 上述の目的を達成する本発明は、多関節腕を有するマス
タスレーブ形マニピュレータにおいて、それぞれにアク
チュエータ及びセンサを有するマスタ及びスレーブと、 このマスタ及びスレーブ両者の出力信号をその偏差が少
なくなるように各アクチュエータを駆動する増幅器と、
上記マスタの少なくとも2か所の屈曲関節の回転角を検
出しその検出信号を各関節を一直線化する信号と比較し
この比較の結果上記マスタから一直線化指令が出力した
ときこの指令値に加重信号を上のせして上記スレーブを
作動させる制御部と、を有するようにしたものである。
E. Means for Solving the Problems The present invention which achieves the above-mentioned object is, in a master-slave manipulator having articulated arms, a master and a slave each having an actuator and a sensor, and outputs of both the master and the slave. An amplifier that drives each actuator to reduce the deviation of the signal,
The rotation angle of at least two flexion joints of the master is detected, and the detection signal is compared with a signal for straightening each joint. As a result of this comparison, when a straightening command is output from the master, this command value is weighted And a control unit for activating the slave by turning on.

F.実施例 ここで、第1図及び第2図を参照して本発明の実施例を
説明する。なお、第2図において、第3図第4図と同一
部分には、同一符号を付す。第1図は、制御ブロツクを
示すものであるが、この第1図において、Mはマスター
又は操作器、Sはスレーブであり、それぞれ動作用のア
クチユエータと回転角センサとを有している。マスター
MとスレーブSの出力信号は、加え合せ点Eで比較さ
れ、その偏差が少なくなる方向にマスターM側には増幅
器A、スレーブS側には増幅器Bをそれぞれ介して信号
を出力しアクチユエータを駆動しているものである。
F. Example An example of the present invention will now be described with reference to FIGS. 1 and 2. In FIG. 2, the same parts as those in FIGS. 3 and 4 are designated by the same reference numerals. FIG. 1 shows a control block. In FIG. 1, M is a master or an operating device, S is a slave, and each has an actuator for operation and a rotation angle sensor. The output signals of the master M and the slave S are compared at the adding point E, and the signals are output through the amplifier A on the master M side and the amplifier B on the slave S side in the direction in which the deviation is reduced, and the actuator is output. It is driven.

ここにおいて、マスターMの2個の関節(例えば第2図
の関節3,4)について回転角センサの信号をモニタし、
この信号を一定条件Kと比較し続け、その条件Kの範囲
内にモニタ信号が至つたとき位置偏差信号を出力する制
御部Cを備え、この制御部Cの出力を加算部Dで加算し
増幅器B側にてスレーブS側を制御するものである。
Here, the signals of the rotation angle sensors are monitored for the two joints of the master M (for example, the joints 3 and 4 in FIG. 2),
The control unit C is provided for continuously comparing this signal with the constant condition K, and outputs the position deviation signal when the monitor signal reaches within the range of the condition K. The output of the control unit C is added by the addition unit D for amplification. The B side controls the slave S side.

この場合の一定条件とは、各関節1〜7が一直線になる
ように指令される信号であつて、この外力に対処できな
い状態である一直線になるか否かを少なくとも2個の関
節3,4にて検出している。そして、スレーブS側の制御
は、マスターM側が一直線になる指令値の場合、偏差を
加算器Dに加えて制御し一直線にならないよう関節3,4
に角度をもたせ換言すれば第2図に示す角度θ,αを得
るように行なわれる。
The constant condition in this case is a signal instructing each of the joints 1 to 7 to form a straight line, and at least two joints 3, 4 are used to determine whether or not the joints are in a straight line that cannot cope with the external force. Is detected at. When the command value on the master M side is aligned, the slave S side controls by adding the deviation to the adder D to control the joints 3, 4
In other words, the angle .theta. And .alpha. Shown in FIG. 2 are obtained.

マニピユレータの作動中には、各関節の作動角を検出す
るのは公知であるが、従来の検出に加えて更に関節3,4
の角度θ,αを検出し利用する。この場合、関節3,4は
同一平面内で屈曲ししかも隣り合う関節が利用しやす
い。同一平面内の場合は制御系が簡単となりしかも動き
もわかりやすいからであり、隣り合う関節を使うのも同
じ理由による。
It is known to detect the working angle of each joint during the operation of the manipulator, but in addition to the conventional detection, the joints 3, 4
The angles θ and α of are detected and used. In this case, the joints 3 and 4 bend in the same plane, and adjacent joints are easy to use. This is because the control system is simple and the movement is easy to understand when they are in the same plane, and the reason why adjacent joints are used is the same.

作動に当り関節3,4の角度θ,αを常時モニタするので
あるが、このモニタは角度θ+α≦K(Kは定数)なる
関係の状態にあるか否かを判定するためである。θ+α
>Kの場合は問題がないのであるが、θ+α≦Kの場合
は直ちにθ≒α≒Kとなるように関節3と4に指令を出
す。一例として腕の作動中にマスター等操縦側指令のθ
+αが15゜以下になつたとき、直ちにθ≒α≒15゜とす
べく関節3,4とマスター側よりの位置操作信号に上のせ
した加重信号を加えたものでスレーブ側を作動させるも
のである。
During the operation, the angles θ and α of the joints 3 and 4 are constantly monitored, and this monitor is for determining whether or not the relationship of angle θ + α ≦ K (K is a constant) is satisfied. θ + α
When> K, there is no problem, but when θ + α ≦ K, a command is immediately issued to the joints 3 and 4 so that θ≈α≈K. As an example, when the arm is operating,
When + α becomes 15 ° or less, the slave side is operated by adding the weighted signal added to the position operation signals from the joints 3 and 4 and the master side so as to immediately set θ ≒ α ≒ 15 °. is there.

この15゜の数値は、θ≒α≒15゜の指令変更に際して手
先7の位置揺れ(横づれ)をわずかにするため、Kの値
は比較的小さな範囲としたことによる。したがつて、横
づれ防止のためには適宜数値が選択される。また、指先
7の横づれ防止のためには、更に、関節1をβ≒Kとな
る加重信号を上のせして作動させれば第2図に示すよう
に横づれが少なくて制御できる。なお、第2図に示すよ
うにαとβとは同方向θは逆方向に偏位させるものであ
る。
The value of 15 ° is because the value of K is set to a relatively small range in order to make the position fluctuation (lateral deviation) of the hand 7 slight when the command of θ≈α≈15 ° is changed. Therefore, a numerical value is appropriately selected to prevent lateral shift. Further, in order to prevent the lateral deviation of the fingertip 7, if the joint 1 is further actuated with a weighting signal of β≈K, the lateral deviation can be controlled as shown in FIG. As shown in FIG. 2, α and β are displaced in the same direction θ and in the opposite direction.

こうして、腕が一直線になるような状態では、手先7よ
り肩に向つて作用する±Sの外力又は負荷に対して関節
1,3,4にはモーメントが発生し、外力Sの有無を検知,
制御できて過負荷に対して逃げるようになる。
Thus, in a state where the arms are aligned, the joints are subjected to ± S external force or load acting from the hands 7 toward the shoulders.
Moment is generated in 1, 3, 4 and detects the presence of external force S,
It is possible to control and escape from overload.

以上によつて、多関節腕が直線的に近く伸す指令を出し
た場合の特異点について、外力又は負荷がその直線と同
軸上に作用する場合の検出を可能とし、スレーブアーム
又は相手側に過大な力がかからないようマスタ側が反応
可能とするものである。なお、加重信号の加算増加を適
宜な短時間に次第に増加させ、急作動を防ぐことは適宜
採用できる。
As described above, it becomes possible to detect the singular point when the multi-joint arm issues a command to stretch the line almost linearly and when external force or load acts coaxially with the line, and The master side can react so that excessive force is not applied. It should be noted that it is possible to appropriately adopt a method of gradually increasing the addition increase of the weighted signal in an appropriate short time to prevent sudden operation.

上記実施例は、同一平面で作動する隣り合う関節につい
て述べたが、少なくとも2個の関節制御であれば同一平
面でなくともまた、隣り合わなくても差支えない。
Although the above embodiments have described adjacent joints that operate on the same plane, they may or may not be on the same plane as long as they control at least two joints.

G.発明の効果 以上説明したように本発明によれば、腕を直線にさせ
ず、関節にモーメントを持たせて略同位置の手先位置と
したことにより、力感覚がなくなることがなく、外力や
負荷を認知可能となり、過大な荷重がかからないように
なつて、誤操作や故障を防止できる。
G. Effect of the Invention As described above, according to the present invention, since the arm is not made to be a straight line and the joint is provided with a moment so that the hand position is substantially at the same position, the force sensation is not lost and the external force is not applied. And load can be recognized, and excessive load is not applied to prevent erroneous operation and breakdown.

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

第1図ないし第2図は、本発明の一実施例で第1図は制
御ブロツク図、第2図は特異点付近の腕の状態図、第3
図は7自由度のマニピユレータの一例の簡略構成図、第
4図は一直線となつた腕の状態図である。 図面中、 1〜7は関節、 α,β,θは角度、 Mはマスタ、 Sはスレーブ、 A,Bは増幅器、 Cは制御部、 Dは加算部である。
1 and 2 show an embodiment of the present invention. FIG. 1 is a control block diagram, FIG. 2 is a state diagram of an arm near a singular point, and FIG.
FIG. 4 is a simplified configuration diagram of an example of a 7-degree-of-freedom manipulator, and FIG. 4 is a state diagram of an arm connected in a straight line. In the drawing, 1 to 7 are joints, α, β and θ are angles, M is a master, S is a slave, A and B are amplifiers, C is a control unit, and D is an addition unit.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】多関節腕を有するマスタスレーブ形マニピ
ュレータにおいて、 それぞれにアクチュエータ及びセンサを有するマスタ及
びスレーブと、 このマスタ及びスレーブ両者の出力信号をその偏差が少
なくなるように各アクチュエータを駆動する増幅器と、 上記マスタの少なくとも2か所の屈曲関節の回転角を検
出しその検出信号を各関節を一直線化する信号と比較し
この比較の結果上記マスタから一直線化指令が出力した
ときこの指令値に加重信号を上のせして上記スレーブを
作動させる制御部と、 を有することを特徴とするマニピュレータ関節制御装
置。
1. A master-slave manipulator having articulated arms, a master and a slave each having an actuator and a sensor, and an amplifier for driving each actuator so as to reduce the deviation of the output signals of both the master and the slave. Then, the rotation angles of at least two flexion joints of the master are detected, and the detection signal is compared with a signal that straightens each joint. As a result of this comparison, when the straightening command is output from the master, this command value is set. A manipulator joint control device, comprising: a control unit that activates the slave by applying a weighted signal.
JP60037669A 1985-02-28 1985-02-28 Manipulator joint control device Expired - Lifetime JPH0716898B2 (en)

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JPS61197175A JPS61197175A (en) 1986-09-01
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