JPH0732992B2 - Omni-directional inertial master arm - Google Patents
Omni-directional inertial master armInfo
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- JPH0732992B2 JPH0732992B2 JP63126668A JP12666888A JPH0732992B2 JP H0732992 B2 JPH0732992 B2 JP H0732992B2 JP 63126668 A JP63126668 A JP 63126668A JP 12666888 A JP12666888 A JP 12666888A JP H0732992 B2 JPH0732992 B2 JP H0732992B2
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- master arm
- inertia
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
- B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
- B25J19/00—Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
- B25J19/0008—Balancing devices
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Robotics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Manipulator (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、マニピュレータの遠隔作用に用いるマスター
アームに係り、特に、全方向に同じ感覚で操作可能な全
方向等慣性マスタアームに関する。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a master arm used for remote operation of a manipulator, and more particularly to an omnidirectional isoinertia master arm that can be operated in the same sense in all directions.
［従来の技術］ 宇宙、海中、原子力などでの、遠隔操作技術の一つに、
いわゆるマスタ・スレーブ・マニピュレータ・システム
がある。従来、この種のマニピュレータの遠隔操作に用
いられるマスタアームは、多くが、スレーブアームの形
態に相似した形態に制約されていた。なお、異構造のマ
スタ・スレーブの考え方も一部で試みられている（新
井、中野；異構造マニピュレータ間におけるバイラテラ
ルナスタスレイブ制御、日本ロボット学会誌 1986年10
月 469〜479頁）。[Conventional technology] One of the remote control technologies in space, undersea, nuclear power, etc.
There is a so-called master-slave manipulator system. Conventionally, most of the master arms used for remote operation of this type of manipulator are restricted to a shape similar to that of a slave arm. A part of the idea of master / slave with different structure has also been attempted (Arai, Nakano; Bilateral Nasta slave control between different structure manipulators, Journal of the Robotics Society of Japan 1986 10
Month 469-479).
［発明が解決しようとする課題］ マニピュレータの遠隔操作に用いられるマスタアーム
は、操作性がよく、操作者に不快感や疲労感を与えない
ことが重要である。そのためには、マスタアームを低摩
擦、低慣性、重力バランス、および、バイラテラル制御
時（フィードバック時）の高精度な力発生を加えて、全
方向に等慣性とすることが望ましい。[Problems to be Solved by the Invention] It is important that the master arm used for remote operation of the manipulator has good operability and does not give the operator a feeling of discomfort or fatigue. For that purpose, it is desirable that the master arm has low friction, low inertia, gravity balance, and high-accuracy force generation during bilateral control (during feedback) to have equal inertia in all directions.
しかしながら、従来のこの種のマニピュレータでは、マ
スタアームを純機械的に等慣性にするための配慮はされ
ておらず、モータのトルクを変えることで応答を同じに
していたが、操作性上問題があり、制御系が複雑化する
問題があった。However, in this type of conventional manipulator, no consideration was given to making the master arm purely mechanically inertial, and the response was the same by changing the torque of the motor, but there was a problem in terms of operability. There was a problem that the control system became complicated.
本発明は、従来のマスタアームの問題点を解決し、３次
元的に同じ感覚で操作できる、全方向等慣性マスタアー
ムを提供することを目的とする。It is an object of the present invention to solve the problems of the conventional master arm and to provide an omnidirectional isoinertia master arm that can be operated three-dimensionally with the same feeling.
［問題点を解決するための手段］ 上記目的を達成するため、本発明は、マニピュレータを
遠隔操作するための手首が一端に設けられた上部アーム
と、下部アームと、水平リンクと、垂直リンクとから垂
直面内で運動可能な平行リンク機構が形成され、前記下
部アームと水平リンクとの連結部が垂直軸回りに旋回可
能に構成されたマスタアームにおいて、手首動作用のモ
ータを全て手首に配置して、手首の重量を大きくすると
ともに、下部アームの下端と、水平リンクにそれぞれバ
ランス用の重りを固定して、各アームの回転軸回りの重
力トルクが略零となり、且つ、手首の全方向の慣性が手
首の動作範囲内で略等しくなるように構成したものであ
る。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides an upper arm having a wrist at one end for remotely operating a manipulator, a lower arm, a horizontal link, and a vertical link. In the master arm in which a parallel link mechanism that can move in a vertical plane is formed, and the connecting portion of the lower arm and the horizontal link is configured to be rotatable about a vertical axis, all the motors for wrist movement are arranged on the wrist. Then, the weight of the wrist is increased, and the balance weights are fixed to the lower end of the lower arm and the horizontal link, respectively, so that the gravity torque around the rotation axis of each arm becomes almost zero, and the wrist is omnidirectional. The inertias of (1) and (2) are made substantially equal within the operating range of the wrist.
［作用］ 第３図は、本発明のマスタアームの軸構成を示すもの
で、同図において、101と102がアーム、103がリンク機
構、104が水平旋回軸、105が垂直旋回軸、106が関節
軸、107が手首、108と109がバランス重りを示す。[Operation] FIG. 3 shows the axial configuration of the master arm of the present invention. In FIG. 3, 101 and 102 are arms, 103 is a link mechanism, 104 is a horizontal pivot axis, 105 is a vertical pivot axis, and 106 is a vertical pivot axis. The joint axis, 107 is the wrist, and 108 and 109 are the balance weights.
ここで、マスタアームの全方向等慣性の評価に、剛体系
の一般慣性テンソルＧを用いる（浅田；ロボットアーム
動特性の幾何学的解析法、計自論 1983年６月 500〜5
05頁）。基本３軸104,105,106の関節空間慣性行列をI,
絶対空間からのヤコビ行列をＪとすれば、Ｇは、 で表される。Si＝sinθｉ，Ci-j＝cos（θｉ−θｊ）の
ように決めると、 detJ＝l1l2hS3-2 ｈ＝l1C2−l3C3 g11＝(C1S3-2)2(l1l3)2I11 g22＝(C3l3h)2I22＋(C2l1h)2I33＋２C2C3C3-2l1l3h2I23 g33＝(S3l3h)2I22(S2l1h)2I33＋２S2S3C3-2l1l3h2I23 g23＝C3S3(l3h)2I22＋C2S2(l1h)2I33＋C3-2S3+2l1l3h2I
23 となる。Ｇの固有値をλ１，λ２，λ３とすれば、λ１
＝λ２＝λ３のとき全方向に等慣性となり、λ１が運動
の等価な質量となる。Here, the general inertia tensor G of the rigid system is used to evaluate the omnidirectional isoinertia of the master arm (Asada; Geometrical analysis method of robot arm dynamics, J.S., Jun 1983, 500-5.
Page 05). The joint space inertia matrix of the basic three axes 104, 105, 106 is I,
If J is the Jacobian matrix from the absolute space, then G is It is represented by. If S i = sin θ i and C ij = cos (θ i −θ j ), then detJ = l 1 l 2 hS 3-2 h = l 1 C 2 −l 3 C 3 g 11 = (C 1 S 3-2 ) 2 (l 1 l 3 ) 2 I 11 g 22 = (C 3 l 3 h) 2 I 22 + (C 2 l 1 h) 2 I 33 + 2C 2 C 3 C 3-2 l 1 l 3 h 2 I 23 g 33 = (S 3 l 3 h) 2 I 22 (S 2 l 1 h) 2 I 33 + 2S 2 S 3 C 3-2 l 1 l 3 h 2 I 23 g 23 = C 3 S 3 (l 3 h) 2 I 22 + C 2 S 2 (l 1 h) 2 I 33 + C 3-2 S 3 + 2 l 1 l 3 h 2 I
23 . If the eigenvalues of G are λ 1 , λ 2 , and λ 3 , then λ 1
= Λ 2 = λ 3 , equal inertia is obtained in all directions, and λ 1 is the equivalent mass of motion.
等慣性で重力バランスされたマスターアームを作るに
は、モータとバランス重りをうまく配置する必要があ
る。In order to create an isoinertia, gravity balanced master arm, the motor and balance weight must be well placed.
第４図にモータとバランス重りの配置と等慣性の関係を
示す。図中、丸の大きさは、質点の大小を表す。また、
比は、図示の位置でのλ１：λ２：λ３の比率を、λ１
＝１として示したものである。FIG. 4 shows the relationship between the placement of the motor and the balance weight and the equal inertia. In the figure, the size of the circle represents the size of the mass point. Also,
As for the ratio, the ratio of λ 1 : λ 2 : λ 3 at the position shown is λ 1
= 1.
（ａ）は手首に質点Ｍがあり、アームの質量が０となる
理想的な場合でλ１＝Ｍとなる。しかし、この例は、実
現不可能であり、かつ重力はバランスしていない。(A) is an ideal case where the mass point M is on the wrist and the arm mass is 0, and λ 1 = M. However, this example is not feasible and gravity is not balanced.
（ｂ）は重力バランスをとるためにモータの配置を調整
した例で、現実のDDアーム（DDアームとは、モータに直
接駆動型モータを用いたロボットアーム）に近いもので
あるが、等慣性からは大きくはずれている。(B) is an example of adjusting the arrangement of the motors in order to balance gravity, which is close to the actual DD arm (DD arm is a robot arm that uses a direct drive motor for the motor) Is far from.
（ｃ）、（ｄ）はモータやバランス用の重りを変えた配
置例であり、このうち、（ｃ）が等慣性に近い（各λｉ
が１に近い）ものである。（ｃ）のマスタアームは、手
首用のモータを全て手首に配置して手首の重量を大きく
し、そのバランスのために水平リンクに重り（第３図中
に108,109で示す）を付けることで実現される。(C) and (d) are examples of arrangement in which the motor and the weight for balancing are changed. Of these, (c) is close to the isoinertia (each λ i
Is close to 1). The master arm of (c) is realized by placing all the motors for the wrist on the wrist to increase the weight of the wrist and attaching a weight (indicated by 108 and 109 in Fig. 3) to the horizontal link for the balance. To be done.
［実施例］ 第１図は本発明の全方向慣性マスタアームの一実施例の
構成図で、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図を示してい
る。上部アーム11,13、下部アーム12、水平リンク14、
垂直リンク15とから垂直面内で運動可能な平行リンク機
構が形成され、上部アーム11の手首先端は把持部16とな
っている。また、下部アーム12と水平リンク14との連結
部は、垂直軸回りに旋回可能に支持されている。矢印は
各部の運動方向を示す。モータは全軸に直流トルクモー
タを使用したDD方式（直接駆動方式）とし、本実施例で
は、旋回用DDモータ17、上部アーム駆動用DDモータ18、
下部アームDD駆動用モータ19、腕ねじりDDモータ20およ
び手首曲げDDモータ22の全部で６つモータが使用され
る。[Embodiment] FIG. 1 is a configuration diagram of an embodiment of an omnidirectional inertia master arm of the present invention, in which (a) is a front view and (b) is a side view. Upper arm 11, 13, lower arm 12, horizontal link 14,
A parallel link mechanism that can move in a vertical plane is formed from the vertical link 15, and the wrist tip of the upper arm 11 is a grip portion 16. Further, the connecting portion between the lower arm 12 and the horizontal link 14 is supported so as to be rotatable around a vertical axis. Arrows indicate the direction of movement of each part. The motor is a DD system (direct drive system) that uses DC torque motors for all axes. In the present embodiment, a swing DD motor 17, an upper arm drive DD motor 18,
A total of six motors are used: the lower arm DD drive motor 19, the arm twisting DD motor 20, and the wrist bending DD motor 22.
これらのモータのうち、手首用のDDモータ20,21,22は、
把持部16が設けられた手首に配置して手首の重量を大き
くしている。そして、これとの重量バランスをとるため
に水平リンク14に重り23を取り付けている。さらに下部
アームの下端にもバランス用の重り24を取り付けてい
る。Of these motors, the DD motors 20, 21, 22 for the wrist are
The weight of the wrist is increased by disposing it on the wrist provided with the grip portion 16. A weight 23 is attached to the horizontal link 14 in order to balance the weight with this. Furthermore, a balance weight 24 is attached to the lower end of the lower arm.
第１図の構成により、第４図（ｃ）に示すような略等慣
性で、且つ動力バランスされたマスタアームが実現され
る。With the configuration shown in FIG. 1, a master arm having substantially equal inertia and power balance as shown in FIG. 4 (c) is realized.
第２図に本マスタアームの動作例を示す。これは、上部
／下部アーム長を30cmとし、30cm立方の動作範囲を確保
していることを示している。図中の楕円体は、一般化慣
性テンソルの楕円体表示を示したものであり、λｉの平
方根を長短軸とする楕円を描いてあり、動作範囲中心で
は、ほぼ円となり、近似的に等慣性が実現されている。FIG. 2 shows an operation example of this master arm. This shows that the upper / lower arm length is 30 cm, and the operating range of 30 cm cubic is secured. The ellipsoid in the figure shows an ellipsoidal representation of the generalized inertia tensor, and an ellipse whose major and minor axes are the square roots of λ i is drawn. Inertia is realized.
なお、外縁部分では、前記楕円体は扁平になるが、アー
ム長を長くすることにより、同じ動作範囲内で外縁部分
を円に近づけることができる。しかし、実用上、現実的
ではなくなるので、アームの長さは、実際の操作上良好
な範囲で設定する。Although the ellipsoid is flattened at the outer edge portion, the outer edge portion can be made closer to a circle within the same operating range by increasing the arm length. However, since it is not practically practical, the arm length is set within a range that is favorable in actual operation.
［発明の効果］ 以上説明したように、本発明のマスタアームによれば、
操作方向の全方向に対して、略等慣性とすることができ
るため、操作者はマスタアームを３次元的に同じ感覚で
操作でき、マニピュレータの操作性を著しく向上するこ
とができる。As described above, according to the master arm of the present invention,
Since it is possible to have substantially equal inertia in all the operating directions, the operator can operate the master arm in a three-dimensional manner with the same feeling, and the operability of the manipulator can be significantly improved.
しかも、マスタアームの全方向の等慣性を、モータのト
ルクを制御したり、特殊な機構を用いることなく、手首
用モータの取付位置と、バランス用の重りの取付位置の
関係のみによって実現しているため、マスタアームの構
成を簡略化することができる。Moreover, the unidirectional inertia of the master arm is realized only by the relationship between the mounting position of the wrist motor and the mounting position of the balance weight without controlling the motor torque or using a special mechanism. Therefore, the configuration of the master arm can be simplified.
第１図は本発明の全方向等慣性マスタアームの一実施例
の構成図、第２図は本マスタアームの動作図、第３図
は、マスタアームの軸構成を示す図、第４図はモータと
バランス重りの配置と等慣性の関係を示す図である。 11,13……上部アーム、12……下部アーム、14……水平
リンク、15……垂直リンク、16……把持部、17〜22……
モータ、23,24……バランス重り。1 is a configuration diagram of an embodiment of an omnidirectional isoinertia master arm of the present invention, FIG. 2 is an operation diagram of the master arm, FIG. 3 is a diagram showing an axial configuration of the master arm, and FIG. It is a figure which shows arrangement | positioning of a motor and a balance weight, and the relationship of equal inertia. 11,13 ...... Upper arm, 12 ...... Lower arm, 14 ...... Horizontal link, 15 ...... Vertical link, 16 ...... Grip part, 17-22 ......
Motor, 23, 24 ... Balance weight.
Claims (1)
が一端に設けられた上部アーム（11），（13）と、下部
アーム（12）と、水平リンク（14）と、垂直リンク（1
5）とから垂直面内で運動可能な平行リンク機構が形成
され、前記下部アーム（12）と水平リンク（14）との連
結部が垂直軸回りに旋回可能に構成されたマスタアーム
において、 手首動作用のモータを全て手首に配置して、手首の重量
を大きくするとともに、下部アーム（12）の下端と、水
平リンク（14）にそれぞれバランス用の重り（24），
（23）を固定して、各アームの回転軸回りの重力トルク
が略零となり、且つ、手首の全方向の慣性が手首の動作
範囲内で略等しくなるように構成したことを特徴とする
全方向等慣性マスタアーム。1. An upper arm (11), (13) having a wrist at one end for remotely operating a manipulator, a lower arm (12), a horizontal link (14), and a vertical link (1).
5) and a parallel link mechanism that can move in a vertical plane is formed, and in the master arm in which the connecting portion between the lower arm (12) and the horizontal link (14) is rotatable about a vertical axis, All the operating motors are placed on the wrist to increase the weight of the wrist, and the balance weights (24) and (24) are attached to the lower end of the lower arm (12) and the horizontal link (14), respectively.
(23) is fixed so that the gravitational torque around the rotation axis of each arm is substantially zero, and the inertia in all directions of the wrist is substantially equal within the operating range of the wrist. Directional iso-inertia master arm.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63126668A JPH0732992B2 (en) | 1988-05-24 | 1988-05-24 | Omni-directional inertial master arm |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63126668A JPH0732992B2 (en) | 1988-05-24 | 1988-05-24 | Omni-directional inertial master arm |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01295770A JPH01295770A (en) | 1989-11-29 |
| JPH0732992B2 true JPH0732992B2 (en) | 1995-04-12 |
Family
ID=14940912
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63126668A Expired - Lifetime JPH0732992B2 (en) | 1988-05-24 | 1988-05-24 | Omni-directional inertial master arm |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0732992B2 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3075658B2 (en) * | 1993-10-29 | 2000-08-14 | 株式会社明電舎 | Master-slave manipulator slave arm |
| JP7304601B1 (en) * | 2022-06-28 | 2023-07-07 | 株式会社Ｑｄジャパン | rotating structure |
Family Cites Families (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS61281310A (en) * | 1985-06-07 | 1986-12-11 | Toshiba Corp | Manipulator system |
-
1988
- 1988-05-24 JP JP63126668A patent/JPH0732992B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01295770A (en) | 1989-11-29 |
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