JPH0741561B2

JPH0741561B2 - 多本指マニピュレータの制御方法

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Publication number: JPH0741561B2
Application number: JP2153922A
Authority: JP
Inventors: 献大西; 武生大道; 優樋口; 晃久沖野; 明寛前川
Original assignee: 工業技術院長
Priority date: 1990-06-14
Filing date: 1990-06-14
Publication date: 1995-05-10
Anticipated expiration: 2010-05-10
Also published as: JPH0446778A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、マスタスレーブ方式の多本指マニピュレータ
に適用される制御方法に関する。

＜従来の技術＞マスタスレーブ方式の多本指マニピュレータの従来の制
御方法は、マスタ指とこれに対応するスレーブ指との間
で、各指１対毎の関節角の関係に注目したものであり、
マスタ指の関節の角度をそのまま、対応するスレーブ指
の関節に再現させている。従って、この従来の制御方法
は、マスタ指とスレーブ指とが同じ軸構成である、いわ
ゆる同構造マスタを用いる場合にしばしば適用される。

第５図は上述した従来の制御方法を示す図であり、複数
本のマスタ指２と、これらに対応するスレーブ指３とが
あり、各マスタ指２は操作者１に装着され、操作者１の
指の動きに従って、各関節21,22,23,24が動く。

ここで、人差指に相当する１対の指2,3に着目すると、
マスタ指２の第１関節21の角度α_M1と第２関節22の角度
α_M2とを検出し、検出した関節角α_M1をそのままスレー
ブ指３の第１関節31の角度α_S1として再現し、また検出
した関節角α_M2もそのままスレーブ指３の第３関節32の
角度α_S2として再現させる。即ち、α_S1＝α_M1で且つα
_S2＝α_M2となるように制御を行う。親指に相当する他の
１対の指2,3の間でも同様であり、マスタ指２の第1,第
２各関節23,24の角度β_M1,β_M2を検出し、これらの関節
角β_M1,β_M2をそれぞれスレーブ指３の第1,第２各関節3
3,34の角度β_S1,β_S2として再現させる。

第５図に示した従来の制御方法により多本指マニピュレ
ータのマスタスレーブ制御を行う場合、対をなすマスタ
指２とスレーブ指３が同寸法、同構造であれば、マスタ
指２で検出した通り関節角をスレーブ指３上に再現する
ことにより、スレーブ指３はマスタ指２を操作する操作
者１の意のままに動く。例えば、操作者１が或る大きさ
の物体をつかもうとイメージして、マスタ指２上でその
大きさのものを把持する指の形を作った場合、スレーブ
指３も操作者１がイメージした通りの形となり、実際の
物体を把持することができる。

しかし、スレーブ指３はその用途により種々の形状及び
構造をとるため、通常、操作者１に装着されるマスタ指
２とはその形状を異にする。また、マスタ指２自体もそ
の使い勝手により、人間の指と同構造であるとは限らな
い。

そのため、上述したマスタ指の関節角をそのまま対応す
るスレーブ指の関節角に再現させる従来の制御方法で
は、多くの場合、操作者は自分の指で操作する場合と同
じ感覚で物体を取り扱うことができず、マスタ指による
スレーブ指の操作性が大きく低下すると言わざるを得な
い。

＜従来技術の改良＞そこで発明者等は、通常人間が物体を指で取り扱う場
合、個々の関節角ではなく、指先端の位置及び取扱対象
物と指とのなす角度、即ち指が作る形を意識しているこ
とに着目し、第６図に示すように、マスタ指２とスレー
ブ指３との間で、対応する各１対の指毎に、マスタ指２
の指先端ベクトル41（42）を、スレーブ指３の指先端ベ
クトル43（44）として個別に再現するという制御方法を
発明している。

この制御方法の詳細を第６図により説明する。第６図に
おいて、制御系はまず角度検出部101にマスタ指２の１
指毎に全ての関節21,22（23,24）の角度α_M1,α_M2（β
_M1,β_M2）を検知し、マスタ指先端位置算出部102にて、
マスタ指先端位置即ち操作者１の指先端位置をマスタ指
根元を原点とする座標系で求める。そして、夫々のマス
タ指先端位置が動いた場合にスレーブ指先端がマスタ指
先端の移動方向と同じ方向に同じ量又は或る定められた
数倍の量だけ動くように、スレーブ指先位置算出部103
にて、マスタ指先端位置を、スレーブ指３の根元を原点
とするスレーブ指先端目標位置と定め、スレーブ関節角
算出部104にて、スレーブ指先端がスレーブ指先端目標
位置に来るに必要なスレーブ指３の各関節31,32（33,3
4）の角度α_S1,α_S2（β_S1,β_S2）を求める。

更に制御系は、操作者指形状算出部105にてマスタ指２
の各関節角α_M1,α_M2（β_M1,β_M2）及び関節角リンクの
長さにより操作者１の指形状特に指先端部の姿勢を求め
ると共に、スレーブ指形状算出部106にて先のスレーブ
指３の各関節角α_S1,α_S2（β_S1,β_S2）及び関節角リン
クの長さによりスレーブ指形状特にスレーブ指先端の姿
勢を求め、これらの指形状の差から、関節角オフセット
算出部107にてスレーブ指３の各関節角オフセットを求
める。

そして制御系は、各関節角オフセットをスレーブ指３の
角関節角α_S1,α_S2（β_S1,β_S2）に加え、この加算値を
スレーブ関節角指令部108にて最終的なスレーブ関節角
指令値として出力する。

以上により、操作者１の指先端位置及び指形状（指先端
姿勢）が、スレーブ指３の指先端位置及び指形状（指先
端姿勢）としてほぼ正確に再現する。従って、第５図で
説明したマスタ指２の関節角をそのままスレーブ指３の
関節角として再現する制御方法に比較し、第６図で説明
した制御方法はマスタ指とスレーブ指とが軸構造の異な
る、いわゆる異構造マスタを用いる場合にも適用するこ
とができるという利点がある。

＜発明が解決しようとする課題＞しかし、第５図，第６図いずれの制御方法でも、１本の
マスタ指２で得られた情報（関節角あるいは指先端位
置）は、このマスタ指２に対応する１本のスレーブ指の
制御へのみ用いられている。即ち、マスタ指２とスレー
ブ指３との情報関係は１指対１指の関係であることか
ら、次のような不都合がある。

操作者１が或る物体を把持しようとイメージして指を形
作った場合、例えば指先で直径Ａという物をつかもうと
イメージした場合、２本のスレーブ指３の指先間は直径
Ａの物を把持するために狭くもなく広くもなく、ちょう
どＡという大きさに開いている必要がある。

ところが、前述の如く両制御方法ともマスタ指２とスレ
ーブ指３は１指対１指の関係になっているので、スレー
ブ指３の指先間がちょうどＡという大きさに開くという
保証はない。

このため、操作者１は実際に物をつかむためには、あえ
てイメージを変えた作業を強いられることになり、作業
に熟練を要するだけでなく、複雑な動作、例えば指先で
物を回転させるような、あやつり動作等にいたっては、
実行不可能である。

本発明は、作業者が特別な訓練をすることなく、マスタ
スレーブ方式の多本指マニピュレータに複雑あるいは繊
細な作業を実行させることができる制御方法を提供する
ことを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞第１の発明による多本指マニピュレータの制御方法は、
マスタスレーブ方式の多本指マニピュレータにおいて、マスタ指の関節角から、各マスタ指の指先端ベクトルを
算出すること、各マスタ指の指先端ベクトルから、マスタ指どうしの指
先端間ベクトルを算出すること、スレーブ指どうしの指先端間ベクトルが対応するマスタ
指どうしの指先端間ベクトルに一致するように、各スレ
ーブ指の指先端ベクトルを算出すること、スレーブ指の指先端ベクトルから、スレーブ指の各関節
角を算出すること、及び、算出した関節角を指令値としてスレーブ指を駆動するこ
とを特徴とするものである。

また、第２の発明による多本指マニピュレータの制御方
法は、マスタスレーブ方式の多本指マニピュレータにお
いて、マスタ指の関節角から、各マスタ指の指先端ベクトルを
算出すること、各マスタ指の指先端ベクトルから、特定１本のマスタ指
の指先端位置を基点にマスタ指どうしの指先端間ベクト
ルを算出すること、前記特定１本のマスタ指の関節角に基づき、該特定１本
のマスタ指に対応する特定１本のスレーブ指の関節角を
算出すること、前記マスタ指どうしの指先端間ベクトルと前記特定１本
のスレーブ指の関節角とに基づいて、前記特定１本のス
レーブ指の指先端位置を基点とするスレーブ指どうしの
指先端間ベクトルが対応するマスタ指どうしの指先端間
ベクトルに一致するように、前記特定１本のスレーブ指
以外のスレーブ指の指先端ベクトルを算出すること、スレーブの指先端ベクトルから、前記特定１本のスレー
ブ指以外のスレーブ指の各関節角を算出すること、及
び、算出した関節角を指令値として前記特定１本のスレーブ
指を含む各スレーブ指を駆動することを特徴とするもの
である。

＜作用＞操作者即ち人間は、或る物を見てこれを把持したり、又
は把持した物をあやつる場合、個々の指先の先端位置を
各々意識するのではなく、各指先端間の相対関係を意識
している場合が多い。例えば直径Ａの物体を把持してこ
れを回転させる場合を考えると、物理的には指先端間を
絶えずＡの間隔に保ちながら指をねじる動作をするわけ
であるが、実際には、人間は指先端位置そのものを意識
して動かしているのではなく、無意識のうちに指先端間
を一定間隔Ａに保っている。即ち、指先端間の相対関係
をコントロールしている。

本発明は上述の知見に基づいたものであり、人間が物を
把持したり、把持した物をあやつる時に最も大切な情報
は対象物の幅が指先端間の間隔に等しいこと、即ち〔対
象物の幅〕＝〔指先端間の間隔〕であることに注目し、
この関係をマスタスレーブ方式の多本指マニピュレータ
にて実現することが最も操作性の向上につながると考え
られる。

ここで、指先端間ベクトルは指先端間の距離と方向を表
わすから、スレーブ指どうしの指先端間ベクトルを対応
するマスタ指どうしの指先端間ベクトルに一致させれ
ば、マスタ指の操作に対して、スレーブ指において〔対
象物の幅〕＝〔指先端間の間隔〕という関係が成立し、
スレーブ指で物を自由に把持したり、あやつることがで
きる。

また、〔対象物の幅〕＝〔指先端間の間隔〕なる関係が
守られている限り、マスタ指とスレーブ指の間では、従
来の如く対応する個々の関節毎に関節角が一致する必要
性は必ずしもなく、一致しなくても操作上何ら問題がな
い。

そこで第１の発明では、まず、マスタ指の関節角から各
マスタ指の指先端ベクトルを算出し、これらからマスタ
指どうしの指先端間ベクトルを算出する。これに対し、
スレーブ指どうしの指先端間ベクトルが対応するマスタ
指の指先端間ベクトルに一致するように、各スレーブ指
の指先端ベクトルを算出すると、各スレーブ指の指先端
ベクトルも〔対象物の幅〕＝〔指先端間の間隔〕なる関
係を満たす。更に、各スレーブ指の指先端ベクトルから
スレーブ指の各関節角を算出するすると、これら各関節
角も〔対象物の幅〕＝〔指先端間の間隔〕なる関係を満
たし、これら各関節角を指令値としてスレーブ指を駆動
することにより、人間のイメージ通りの作業が実行され
る。

この場合、指先端間ベクトルには原点が存在する必要が
あるが、原点をどこにとるかは原理上自由であり、任意
に設定すれば良い。

第２の発明では、原点を最も簡便にとるものであり、複
数本のマスタ指のうち特定１本のマスタ指の指先端位置
を基点として、マスタ指どうしの指先端間ベクトルを算
出する。また、スレーブ指どうしの指先端間ベクトルの
基点は、複数本のスレーブ指のうち特定１本のマスタ指
に対応する特定１本のスレーブ指の指先端位置とする。
そして、特定１本のスレーブ指の関節角は、従来と同様
に、特定１本のマスタ指の関節角に基づいて算出する。
このように特定１本のスレーブ指の関節角を算出して
も、マスタ指どうしの指先端間ベクトルとスレーブ指ど
うしの指先端間ベクトルとの関係には影響しないから、
スレーブ指どうしの指先端間ベクトルがマスタ指どうし
の指先端間ベクトルに一致するように、他のスレーブ指
の指先端ベクトルを算出し、次いで関節角を算出する。
このように算出した特定１本のスレーブ指の関節角とそ
れ以外のスレーブ指の関節角は〔対象物の幅〕＝〔指先
端間の間隔〕なる関係を満たすから、これら各関節角を
指令値としてスレーブ指を駆動することにより、人間の
通りのイメージ作業が実行される。

第１、第２いずれの発明でも、スレーブ指どうしの指先
端間ベクトルがマスタ指どうしの指先端間ベクトルに一
致しさえすれば良いのであるから、前述したように、指
令値となる各スレーブ指の関節角は必ずしも従来のよう
に対応するマスタ指の関節角を一致するものではない。
上述したようにマスタ指の指先端間ベクトルがスレーブ
指の指先端間ベクトルとして再現されるため、操作者が
マスタ指上で或る動作をした時、スレーブ指の少なくと
も各指先端間の位置関係はマスタ指の各指先端間の位置
関係と同等であり、指先端間の距離及び或る指先端から
見た他の指先端の方向はマスタ指とスレーブ指とで全く
同じになることが保証される。このことは、マスタ指と
スレーブ指とが同構造、異構造にかかわらず成立する。

従って、本発明の制御方法によれば、人間が自己の経験
から無意識に行う動作即ち指先端間の相対位置関係をコ
ントロールする能力が、忠実にスレーブ指上に反映され
ることになり、操作者は異和感を覚えることなく、イメ
ージ通りの作業をマスタ指を介してスレーブ指に実行さ
せることが可能となる。

＜実施例＞第１図は本発明による多本指マニピュレータの制御方法
の原理を表わす実施例であり、２本のマスタ指２で検出
したリンク関節角α_M1,α_M2,β_M1,β_M2より、各マスタ
指２の指先端ベクトル41,42を求め、これら２つの指先
端ベクトル41,42より、まず指先端間ベクトル５を計算
する。つまり、第２図に示すように、指根元の或る位置
Ｏを三次元（X,Y,Z）座標の原点（0,0,0）とすれば、一
方の指の先端位置Ａ（X₁,Y₁,Z₁）はその指の関節角α₁,
β_１にて定まる点の座標であり、他方の指の先端位置Ｂ
（X₂,Y₂,Z₂）は同じくその指の関節角α₂,β_２にて定ま
る点の座標であり、▲▼，▲▼がそれぞれ指先
端ベクトルであり、▲▼が指先端間ベクトルであ
る。従って、指先端間ベクトルはとして求まる。

次に、２本のスレーブ指３において、それらの指先端間
ベクトル５′が先に求めたマスタ指先端間ベルト５と一
致するように各スレーブ指３の指先端ベクトル43,44を
計算し、次いでこれらの指先端ベクトル43,44を実現す
るスレーブ指の各関節角α_S1,α_S2,β_S1,β_S2を計算す
る。

そして、計算した関節角を指令値として各スレーブ指３
を駆動する。これにより、マスタ指２の指先端間ベクト
ル５がスレーブ指３上にてスレーブ指先端間ベクトル
５′となって再現する。

次に、第３図により、本発明を４本指のマスタスレーブ
方式のマニピュレータに適用した実施例を説明する。

第３図において、マスタ側の構成としては、親指と人差
指は操作者１の指に沿う形の３軸の同構造マスタ指25,2
6であり、中指と薬指は操作者１の指と対向する形の３
軸の異構造マスタ指27,28である。これにより、同構造
マスタ指の持つ応答性の良さと、異構造マスタ指の持つ
装着性及び操作性の良さとを保ちながら、人間の指先操
作に最も重要な親指の可動範囲を広くとれるようにして
いる。

他方、スレーブ側の構成としては、各々曲り２関節と横
振り１関節からなる指を、それぞれ人差指、中指、薬指
の３指に相当させて３本36,37,38平行と配置し、これら
と対向する位置に同軸構成の親指に相当する指35を１本
装備した計４本指の構成である。

本実施例では指先端間ベクトルの基点を人差指としてお
り、そのため人差指の制御に関してのみ従来と同じ関節
角に注目した１指対１指の制御方法を採用し、マスタ人
差指26の関節角を基本的にはそのままスレーブ人差指36
の関節角として再現している。人差指以外の指について
は本発明により制御している。

第３図において、制御系は角度検出部201にてマスタ人
差指26の各関節角を検出し、補正部202にて各関節角に
係数ａを乗じたり、或いは異構造マスタでは座標変換な
どの計算を施し、指令部203にてスレーブ人差指36に対
する各関節角を指令し、これらを駆動する。ここで、補
正部202を用いたのは、マスタ人差指26の関節角をその
ままスレーブ人差指36の関節角とせず、原点となる人差
指36を最も異和感のない動きとするためである。

一方、制御系は角度検出部204にてマスタの親指35、中
指37及び薬指38の各関節角を検出し、指先端位置算出部
205にて各指の指先端位置を算出する。また、先に検出
したマスタ人差指26の各関節角から、指先端位置算出部
206にて、マスタ人差指26の指先端位置を算出する。

次いで、指先端間ベクトル算出部207にて、マスタ人差
指26の指先端位置と他のマスタ指25,27,28の各指先端位
置との関係により、マスタ各指25,27,28とマスタ人差指
26間の指先端間ベクトル51,52,53を算出し、オフセット
計算部208で求めたオフセット量で補正部209にて補正
し、指先端ベクトル設定部210にて各スレーブ指の指先
端間ベクトル51′,52′,53′とする。ここで、補正部20
9を用いたのは、各マスタ指と操作者１の指と太さの差
等によりマスタ指どうしが接触するまでマスタ指を動か
しても操作者１の指どうしは密着しないことに原因する
異和感をなくすためであり、マスタ指と操作者の指との
太さの差を補正するオフセットを指先端間ベクトル51,5
2,53に加える等の種々の方法により操作性の向上を図っ
ている。

そして制御系は、指令部203で求めたスレーブ人差指36
の各関節角から、指先端位置算出部211にてスレーブ人
差指36の指先端位置を算出し、このスレーブ人差指先端
位置と他のスレーブ各指35,37,38のスレーブ人差指36に
対する各指先端間ベクトル51′,52′,53′とから、指先
端位置算出部212にて、他のスレーブ各指35,37,38の指
先端位置を算出する。

かくして求めた他のスレーブ各指の指先端位置から、関
節角算出部213にて同各指の関節角を算出し、これを指
令として人差部36以外の他のスレーブ各指35,37,38を駆
動する。

以上により、マスタ各指25〜28上で形作られる操作者１
の指の先端間の位置関係は確実にスレーブ指35〜38の先
端関係として再現される。従って、人間が無意識のうち
に指間の相対関係をコントロールしている動作がスレー
ブ上で再現されることとなり、操作者１のイメージ通り
に物を把持したり、把持した物をあやつることが可能と
なる。即ち、操作者１は特別な訓練をすることなく、繊
細な又は複雑な作業を、マスタスレーブ方式の多本指マ
ニピュレータに実行させることができる。

第４図は本発明による制御方式を実現するハードウエア
の構成例を、基準となる指とこれに対する他の１本の指
との関係について示している。

第４図において、マスタ指60は基準となる指、例えばマ
スタ人差指であり、ポテンショメータ等の関節角検出器
61,62,63を有し、それぞれの出力がマスタ指60に対応す
るスレーブ指80の各関節の位置サーボ装置81,82,83に関
節角指令値として入力され、各位置サーボ装置81,82,83
は各関節に設けた関節角検出器84,85,86と関節角指令値
との偏差がゼロとなるように関節を動かす。

マスタ指70は親指など基準のマスタ指60以外の指であ
り、関節角検出器71,72,73を有している。

指先端位置演算器64は基準のマスタ指60の指先端位置を
算出し、別の指先端位置演算器74が他のマスタ指70の指
先端位置を算出し、これらの差を減算器65が得て２本の
マスタ指60,70間の指先端間ベクトルとする。

また指先端位置演算器87はスレーブ指80に対する各関節
角指令値からこのスレーブ指80の指先端位置を算出し、
加算器97がスレーブ指80の指先端位置とマスタ指60,70
間の指先端間ベクトルとからマスタ指70に対応するスレ
ーブ指90の指先端位置を算出する。

そして、位置／関節各変換器98がスレーブ指90の指先端
位置をスレーブ指90の各関節角指令値に変換し、各関節
の位置サーボ装置91,92,93に入力する。スレーブ指90の
各関節には関節角検出器94,95,96があり、各位置サーボ
装置91,92,93はスレーブ指90の各関節の検出角と関節角
指令値との偏差がゼロとなるように関節を動かす。

指が３本,4本と増える場合は、それに応じて各演算器を
増加すれば良い。

＜発明の効果＞本発明の多本指マニピュレータの制御方法によれば、人
間が物を把持したり、把持した物をあやつる時に最も大
切な情報は〔対象物の幅〕＝〔指先端間の間隔〕である
ことから、マスタ指とスレーブ指の指先端位置に注目
し、マスタの各指先端間ベクトルをスレーブのマスタと
対応する各指先端間ベクトルとして再現するので、マス
タスレーブ方式のスレーブ指を操作者のイメージ通りに
動かすことができる。

従って、従来は人間でなければ不可能であった細かい作
業を、特別な訓練を受けた操作者でなくてもロボット等
に代行させることができる。そのため、例えば原子力発
電所内や海中、宇宙等、人間が簡単には立ち入ることが
できない環境下での複雑な作業がロボット等で安全にで
きるようになった、

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理的実施例を示す図、第２図は指先
端間ベクトルの説明図、第３図は本発明の具体的実施例
を示す図、第４図はそのハードウエアによる構成例を示
す図、第５図は従来技術の制御方法を示す図、第６図は
従来技術の改良例を示す図である。図面中、 2,,25,26,27及び28はマスタ指、 3,35,36,37及び38はスレーブ指、 5,51,52及び53はマスタ指の指先端間ベクトル、５′,51′,52′及び53′はスレーブ指の指先端間ベクト
ル、 41及び42はマスタ指の指先端ベクトル、 43及び44はスレーブ指の指先端ベクトルである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者前川明寛兵庫県高砂市荒井町新浜２丁目１番１号三菱重工業株式会社高砂研究所内審査官島田信一 (56)参考文献特開昭61−54506（ＪＰ，Ａ) 特開昭60−221277（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マスタスレーブ方式の多本指マニピュレー
タにおいて、マスタ指の関節角から、各マスタ指の指先端ベクトルを
算出すること、各マスタ指の指先端ベクトルから、マスタ指どうしの指
先端間ベクトルを算出すること、スレーブ指どうしの指先端間ベクトルが対応するマスタ
指どうしの指先端間ベクトルに一致するように、各スレ
ーブ指の指先端ベクトルを算出すること、スレーブ指の指先端ベクトルから、スレーブ指の各関節
角を算出すること、及び、算出した関節角を指令値としてスレーブ指を駆動するこ
とを特徴とする多本指マニピュレータの制御方法。
【請求項２】マスタスレーブ方式の多本指マニピュレー
タにおいて、マスタ指の関節角から、各マスタ指の指先端ベクトルを
算出すること、各マスタ指の指先端ベクトルから、特定１本のマスタ指
の指先端位置を基点にマスタ指どうしの指先端間ベクト
ルを算出すること、前記特定１本のマスタ指の関節角に基づき、該特定１本
のマスタ指に対応する特定１本のスレーブ指の関節角を
算出すること、前記マスタ指どうしの指先端間ベクトルと前記特定１本
のスレーブ指の関節角とに基づいて、前記特定１本のス
レーブ指の指先端位置を基点とするスレーブ指どうしの
指先端間ベクトルが対応するマスタ指どうしの指先端間
ベクトルに一致するように、前記特定１本のスレーブ指
以外のスレーブ指の指先端ベクトルを算出すること、スレーブ指の指先端ベクトルから、前記特定１本のスレ
ーブ指以外のスレーブ指の各関節角を算出すること、及
び、算出した関節角を指令値として前記特定１本のスレーブ
指を含む各スレーブ指を駆動することを特徴とする多本
指マニピュレータの制御方法。