JP3206765B2 - マスタスレーブマニピュレータの制御方法 - Google Patents
マスタスレーブマニピュレータの制御方法Info
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- JP3206765B2 JP3206765B2 JP35790391A JP35790391A JP3206765B2 JP 3206765 B2 JP3206765 B2 JP 3206765B2 JP 35790391 A JP35790391 A JP 35790391A JP 35790391 A JP35790391 A JP 35790391A JP 3206765 B2 JP3206765 B2 JP 3206765B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明はマスタアームがパッシブ
で、スレーブアームがアクティブなユニラテラルマスタ
スレーブ・マニピュレータの制御方法に関する。
で、スレーブアームがアクティブなユニラテラルマスタ
スレーブ・マニピュレータの制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】マスタアームとスレーブアームが相似な
機構的構成を有している場合（以後、同構造と呼ぶ）の
スレーブアームの姿勢を決定する従来の方法は２つに分
類することができる。一つは、対応する関節のモータ間
で対称型などの制御方式を適用する方法である。そのよ
うに、対応する関節間どうしでマスタスレーブの制御系
を構成する場合には、関節座標系への座標変換は必要で
ないため、次節で述べるような問題点は発生しない（図
３）。ところが、この方法ではスレーブアームに対象物
の座標系を基準としたコンプライアンス特性を容易に設
定できないという問題点を有する。もう一つは、作業対
象物を基準とした座標系をマニピュレータの手先に設定
する方法である（たとえば、「マスタースレイブマニピ
ュレータの制御に関する研究」佐藤他、第７回ロボット
学会学術講演会 講演番号1211）。 このように手先の
作業座標系を基準にすることにより、作業座標系に応じ
たコンプライアンスやインピーダンスなどを容易に設定
することが可能になる。このことは、前に述べた関節を
基準にする方法にはないメリットを生じる。ところがこ
の方法では、最終的にはアクチュエータの運動指令を必
要とするため、それぞれの機構に応じた機構逆変換の方
法を適用することにより関節座標系のモータ位置指令と
して決定していた（図４）。この逆変換の過程では次節
に述べる問題点が生じる。
機構的構成を有している場合（以後、同構造と呼ぶ）の
スレーブアームの姿勢を決定する従来の方法は２つに分
類することができる。一つは、対応する関節のモータ間
で対称型などの制御方式を適用する方法である。そのよ
うに、対応する関節間どうしでマスタスレーブの制御系
を構成する場合には、関節座標系への座標変換は必要で
ないため、次節で述べるような問題点は発生しない（図
３）。ところが、この方法ではスレーブアームに対象物
の座標系を基準としたコンプライアンス特性を容易に設
定できないという問題点を有する。もう一つは、作業対
象物を基準とした座標系をマニピュレータの手先に設定
する方法である（たとえば、「マスタースレイブマニピ
ュレータの制御に関する研究」佐藤他、第７回ロボット
学会学術講演会 講演番号1211）。 このように手先の
作業座標系を基準にすることにより、作業座標系に応じ
たコンプライアンスやインピーダンスなどを容易に設定
することが可能になる。このことは、前に述べた関節を
基準にする方法にはないメリットを生じる。ところがこ
の方法では、最終的にはアクチュエータの運動指令を必
要とするため、それぞれの機構に応じた機構逆変換の方
法を適用することにより関節座標系のモータ位置指令と
して決定していた（図４）。この逆変換の過程では次節
に述べる問題点が生じる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】従来の技術で述べた機
構的逆変換を用いる方法は、手先から関節座標系への変
換が一意に決定できる場合に適用することができる。た
とえば、３次元空間でロボット手先の位置と姿勢から関
節の角度に変換する場合、位置の３自由度と姿勢の３自
由度、合計６自由度を実現するためには関節は少なくと
も６自由度の運動自由度を必要とする。逆に、６自由度
以上の関節を持っていれば手先の位置・姿勢を満足する
一組以上で有限個の関節角の解が存在する。ところが、
手先自由度より関節自由度が多い場合には、与えられた
一つの手先位置・姿勢に対して対応する関節角の組が無
限に存在することになる。このようなマニピュレータで
は一般には手先の位置姿勢の情報のみでは関節角を決定
することができない。このように手先自由度より関節自
由度の方が多いマニピュレータを冗長自由度を有するマ
ニピュレータと呼び、手先の位置姿勢を実現する上では
無駄な自由度を含んでいるマニピュレータと考えられる
が、一つの手先の位置姿勢に対してさまざまな腕の姿勢
をとることができるできる点を利用して、障害物回避や
回り込みなど有用な動作を行うことができる。従って、
冗長自由度を有効に生かした手先から関節への運動分解
の方法が必要である。特に、スレーブアームがコンプラ
イアンス特性などをもちマスタとスレーブで異なる姿勢
をとる場合はマスタ姿勢にできるだけ近似したスレーブ
の関節角指令を決定しなければならない。したがって、
本発明は、マスタとスレーブで異なる姿勢をとる場合
に、マスタ姿勢にできるだけ近似したスレーブの関節角
指令を決定できる方法を提供することを目的とする。
構的逆変換を用いる方法は、手先から関節座標系への変
換が一意に決定できる場合に適用することができる。た
とえば、３次元空間でロボット手先の位置と姿勢から関
節の角度に変換する場合、位置の３自由度と姿勢の３自
由度、合計６自由度を実現するためには関節は少なくと
も６自由度の運動自由度を必要とする。逆に、６自由度
以上の関節を持っていれば手先の位置・姿勢を満足する
一組以上で有限個の関節角の解が存在する。ところが、
手先自由度より関節自由度が多い場合には、与えられた
一つの手先位置・姿勢に対して対応する関節角の組が無
限に存在することになる。このようなマニピュレータで
は一般には手先の位置姿勢の情報のみでは関節角を決定
することができない。このように手先自由度より関節自
由度の方が多いマニピュレータを冗長自由度を有するマ
ニピュレータと呼び、手先の位置姿勢を実現する上では
無駄な自由度を含んでいるマニピュレータと考えられる
が、一つの手先の位置姿勢に対してさまざまな腕の姿勢
をとることができるできる点を利用して、障害物回避や
回り込みなど有用な動作を行うことができる。従って、
冗長自由度を有効に生かした手先から関節への運動分解
の方法が必要である。特に、スレーブアームがコンプラ
イアンス特性などをもちマスタとスレーブで異なる姿勢
をとる場合はマスタ姿勢にできるだけ近似したスレーブ
の関節角指令を決定しなければならない。したがって、
本発明は、マスタとスレーブで異なる姿勢をとる場合
に、マスタ姿勢にできるだけ近似したスレーブの関節角
指令を決定できる方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記問題を解決するため
に、本発明は、互いに相似な機構的構成を備えたマスタ
アームとスレーブアームを備えるとともに、前記スレー
ブアームの手先に加わる外力に応じて前記スレーブアー
ムの手先の位置を微小にずらすコンプライアンス特性を
備えたマスタスレーブマニピュレータにおいて、前記ス
レーブアームの関節角指令値を、前記外力に応じた前記
スレーブアームの手先の微小なずれ量に前記マスタアー
ムの姿勢から求めたヤコビ行列の逆行列を乗じた量をア
ームの関節角に加えたものとするものである。
に、本発明は、互いに相似な機構的構成を備えたマスタ
アームとスレーブアームを備えるとともに、前記スレー
ブアームの手先に加わる外力に応じて前記スレーブアー
ムの手先の位置を微小にずらすコンプライアンス特性を
備えたマスタスレーブマニピュレータにおいて、前記ス
レーブアームの関節角指令値を、前記外力に応じた前記
スレーブアームの手先の微小なずれ量に前記マスタアー
ムの姿勢から求めたヤコビ行列の逆行列を乗じた量をア
ームの関節角に加えたものとするものである。
【０００５】
【作用】同構造のマスタスレーブアームはマスタがスレ
ーブの姿勢の規範を示しているので、スレーブアームは
できるだけマスタに近い姿勢をとらせることにより、同
構造の特性をもっとも有効に利用した制御を行うことが
できる。ところで、疑似ヤコビ行列は手先の位置・姿勢
と関節角の微小変位関係を表す関数行列である。したが
って、マスタのヤコビ行列はマスタの関節角姿勢を表す
関数ととらえると、この行列を用いることによってマス
タアームに近似したスレーブアームの関節角姿勢を決定
することができる。なお、ここで用いるヤコビアンはス
レーブアームのヤコビアンではなく、マスタアームのヤ
コビアンを用いているため運動分解における解の集束性
が保証される。
ーブの姿勢の規範を示しているので、スレーブアームは
できるだけマスタに近い姿勢をとらせることにより、同
構造の特性をもっとも有効に利用した制御を行うことが
できる。ところで、疑似ヤコビ行列は手先の位置・姿勢
と関節角の微小変位関係を表す関数行列である。したが
って、マスタのヤコビ行列はマスタの関節角姿勢を表す
関数ととらえると、この行列を用いることによってマス
タアームに近似したスレーブアームの関節角姿勢を決定
することができる。なお、ここで用いるヤコビアンはス
レーブアームのヤコビアンではなく、マスタアームのヤ
コビアンを用いているため運動分解における解の集束性
が保証される。
【０００６】
【実施例】以下、具体的実施例を説明する。図１は本発
明の実施例で、スレーブ側の力制御方式として、スレー
ブアーム手先にマウントされた力センサのフィードバッ
クをもとにしたインピーダンス制御を行った場合の制御
系ブロック図を示している。パッシブなマスタの関節角
θm は順変換部１により作業座標系における手先の位置
姿勢Ｘm を得る。スレーブ力検出値 とスレーブ関節角
θs を力座標変換部２に入力して、作業座標系における
力Ｆexを得る。前記Ｘm と前記Ｆexはインピーダンス制
御演算部３に入力され、マスタスレーブ間の位置姿勢誤
差ｅk を得る。ｅk を得る計算式は次のとおりである。
明の実施例で、スレーブ側の力制御方式として、スレー
ブアーム手先にマウントされた力センサのフィードバッ
クをもとにしたインピーダンス制御を行った場合の制御
系ブロック図を示している。パッシブなマスタの関節角
θm は順変換部１により作業座標系における手先の位置
姿勢Ｘm を得る。スレーブ力検出値 とスレーブ関節角
θs を力座標変換部２に入力して、作業座標系における
力Ｆexを得る。前記Ｘm と前記Ｆexはインピーダンス制
御演算部３に入力され、マスタスレーブ間の位置姿勢誤
差ｅk を得る。ｅk を得る計算式は次のとおりである。
【０００７】
【数１】
【０００８】マスタアームの関節角θm は、疑似ヤコビ
アン演算部４によりスレーブアームのヤコビアンの（疑
似）逆行列Ｊm + を得る。前記ｅk と前記Ｊm + は乗算
器５に入力されて、乗算されたのち、加算器６にでマス
タアームの関節角θm に加算されてスレーブアームの関
節位置指令θsrを得る。以上の流れを数式で示すと次の
とおりである。 θsr＝θm ＋Ｊm + ｅ(k) θsr：スレーブ関節角指令（ｎ・１） θm ：マスタ関節角（ｎ・１） Ｊm + ：スレーブアームのヤコビアンの（疑似）逆行列
（ｎ・ｍ） ｅ：マスタスレーブ間の位置姿勢誤差（作業座標系）
（ｍ・１） ただし、（ ・ ）は行列とベクトルの次元を表す。 ｎ：関節自由度 ｍ：手先の制御自由度
アン演算部４によりスレーブアームのヤコビアンの（疑
似）逆行列Ｊm + を得る。前記ｅk と前記Ｊm + は乗算
器５に入力されて、乗算されたのち、加算器６にでマス
タアームの関節角θm に加算されてスレーブアームの関
節位置指令θsrを得る。以上の流れを数式で示すと次の
とおりである。 θsr＝θm ＋Ｊm + ｅ(k) θsr：スレーブ関節角指令（ｎ・１） θm ：マスタ関節角（ｎ・１） Ｊm + ：スレーブアームのヤコビアンの（疑似）逆行列
（ｎ・ｍ） ｅ：マスタスレーブ間の位置姿勢誤差（作業座標系）
（ｍ・１） ただし、（ ・ ）は行列とベクトルの次元を表す。 ｎ：関節自由度 ｍ：手先の制御自由度
【０００９】すなわち、スレーブアームはコンプライア
ンス特性によってマスタアームと多少のズレを生じてい
る。そのときの作業座標系での誤差ｅをマスタアームの
ヤコビアンを用いて関節座標系の微小変位に変換する。
基準姿勢はマスタアームの関節角であるため、マスタア
ームの各関節角に微小変位を加算することによりスレー
ブアームの関節角指令を決定することができる。ここで
用いるヤコビアンはスレーブアームのヤコビアンではな
くマスタアームのヤコビアンを用いているため運動分解
における解の集束性が保証される。これによりマスタア
ームの姿勢に近似したスレーブアームの姿勢の関節角指
令を決定することができる。図２は３自由度冗長アーム
に本アルゴリズムを適用した場合の結果を示したもので
ある。スティック線図は点線がマスタアームの姿勢を、
実線は（ａ）が本アルゴリズムの方式で運動分解を行っ
た結果、（ｂ）が根元の第一軸を固定し残りの２軸で機
構的な逆解を求めたもので、それぞれ＋Ｘ軸方向、ーＸ
軸方向に手先が移動した場合の２種類の結果を示してい
る。（ｃ）は（ａ）、（ｂ）の座標変換の結果を関節角
変位の２乗和で評価したもので、（ａ）の方が関節の変
位が小さくマスタアームに対する近似特性も良いことが
わかる。
ンス特性によってマスタアームと多少のズレを生じてい
る。そのときの作業座標系での誤差ｅをマスタアームの
ヤコビアンを用いて関節座標系の微小変位に変換する。
基準姿勢はマスタアームの関節角であるため、マスタア
ームの各関節角に微小変位を加算することによりスレー
ブアームの関節角指令を決定することができる。ここで
用いるヤコビアンはスレーブアームのヤコビアンではな
くマスタアームのヤコビアンを用いているため運動分解
における解の集束性が保証される。これによりマスタア
ームの姿勢に近似したスレーブアームの姿勢の関節角指
令を決定することができる。図２は３自由度冗長アーム
に本アルゴリズムを適用した場合の結果を示したもので
ある。スティック線図は点線がマスタアームの姿勢を、
実線は（ａ）が本アルゴリズムの方式で運動分解を行っ
た結果、（ｂ）が根元の第一軸を固定し残りの２軸で機
構的な逆解を求めたもので、それぞれ＋Ｘ軸方向、ーＸ
軸方向に手先が移動した場合の２種類の結果を示してい
る。（ｃ）は（ａ）、（ｂ）の座標変換の結果を関節角
変位の２乗和で評価したもので、（ａ）の方が関節の変
位が小さくマスタアームに対する近似特性も良いことが
わかる。
【００１０】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、外
力によりスレーブアームの位置ずれが生ずるような、ス
レーブアームが外力に対して柔軟な制御特性を有するマ
スタスレーブマニピュレータにおいて、スレーブアーム
をできるだけマスターアームに近似して追従制御するこ
とが可能となる。特に、冗長な自由度を有するアームに
適用する場合は、障害物回避・回り込みなどを有効に利
用したユニラテラル・マスタスレーブ制御が可能とな
り、作業性を大幅に向上することができる。
力によりスレーブアームの位置ずれが生ずるような、ス
レーブアームが外力に対して柔軟な制御特性を有するマ
スタスレーブマニピュレータにおいて、スレーブアーム
をできるだけマスターアームに近似して追従制御するこ
とが可能となる。特に、冗長な自由度を有するアームに
適用する場合は、障害物回避・回り込みなどを有効に利
用したユニラテラル・マスタスレーブ制御が可能とな
り、作業性を大幅に向上することができる。
【図１】本アルゴリズムをスレーブアームがインピーダ
ンス制御されたユニラテラルマスタスレーブアームに適
用した場合の制御ブロック図
ンス制御されたユニラテラルマスタスレーブアームに適
用した場合の制御ブロック図
【図２】本発明のアルゴリズムにより冗長アームの座標
変換を行った場合と、他の方法により座標変換を行った
場合のアーム姿勢の変化と評価グラフ
変換を行った場合と、他の方法により座標変換を行った
場合のアーム姿勢の変化と評価グラフ
【図３】逆機構学によって解を求めることができる非冗
長なユニラテラルマスタスレーブ制御方式のブロック図
長なユニラテラルマスタスレーブ制御方式のブロック図
【図４】同構造で関節対応型の制御を行う従来の冗長型
ユニラテラルマスタスレーブ制御方式のブロック図
ユニラテラルマスタスレーブ制御方式のブロック図
１ 順変換部 ２ 力座標変換部 ３ インピーダンス制御演算部 ４ 疑似ヤコビアン演算部 ５ 乗算器 ６ 加算器
Claims (1)
- 【請求項１】 互いに相似な機構的構成を備えたマスタ
アームとスレーブアームを備えるとともに、前記スレー
ブアームの手先に加わる外力に応じて前記スレーブアー
ムの手先の位置を微小にずらすコンプライアンス特性を
備えたマスタスレーブマニピュレータにおいて、 前記スレーブアームの関節角指令値を、前記外力に応じ
た前記スレーブアームの手先の微小なずれ量に前記マス
タアームの姿勢から求めたヤコビ行列の逆行列を乗じた
量を前記マスタアームの関節角に加えたものとすること
を特徴とするマスタスレーブマニピュレータの制御方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35790391A JP3206765B2 (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | マスタスレーブマニピュレータの制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP35790391A JP3206765B2 (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | マスタスレーブマニピュレータの制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05177563A JPH05177563A (ja) | 1993-07-20 |
| JP3206765B2 true JP3206765B2 (ja) | 2001-09-10 |
Family
ID=18456529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP35790391A Expired - Fee Related JP3206765B2 (ja) | 1991-12-25 | 1991-12-25 | マスタスレーブマニピュレータの制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3206765B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017163071A1 (en) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | Cambridge Medical Robotics Limited | Robot control |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109984514B (zh) * | 2019-03-22 | 2022-08-09 | 杨松 | 电动床遥控器及遥控电动床的方法 |
| CN111185906B (zh) * | 2020-01-10 | 2023-04-18 | 上海大学 | 一种基于Leap Motion的灵巧手主从控制方法 |
| CN112405488B (zh) * | 2020-11-06 | 2022-03-22 | 广东电网有限责任公司电力科学研究院 | 基于力引导的异构型主从遥操作控制方法及装置 |
| CN115609561B (zh) * | 2020-12-30 | 2024-10-11 | 诺创智能医疗科技(杭州)有限公司 | 并联平台的主从映射方法、机械臂系统和存储介质 |
| CN114952817B (zh) * | 2021-02-20 | 2025-02-28 | 武汉联影智融医疗科技有限公司 | 腹腔镜手术机器人仿真系统及其控制方法 |
| CN113547196A (zh) * | 2021-07-27 | 2021-10-26 | 天津大学 | 一种双侧搅拌摩擦焊接装备的主从镜像同步运动控制方法 |
| CN119795159B (zh) * | 2024-12-05 | 2025-12-16 | 深圳市优必选科技股份有限公司 | 机械臂控制方法、装置、电子设备及计算机可读存储介质 |
| CN119658705B (zh) * | 2025-02-19 | 2025-06-20 | 河南科技学院 | 一种用于尾叉骨剔骨的主从式双臂力位混合控制方法 |
-
1991
- 1991-12-25 JP JP35790391A patent/JP3206765B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2017163071A1 (en) * | 2016-03-24 | 2017-09-28 | Cambridge Medical Robotics Limited | Robot control |
| CN108883533A (zh) * | 2016-03-24 | 2018-11-23 | Cmr外科有限公司 | 机器人控制 |
| US10232510B2 (en) | 2016-03-24 | 2019-03-19 | Cmr Surgical Limited | Robot control |
| US11292127B2 (en) | 2016-03-24 | 2022-04-05 | Cmr Surgical Limited | Robot control |
| EP4166282A1 (en) * | 2016-03-24 | 2023-04-19 | CMR Surgical Limited | Robot control |
| US12017360B2 (en) | 2016-03-24 | 2024-06-25 | Cmr Surgical Limited | Robot control |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05177563A (ja) | 1993-07-20 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080706 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090706 Year of fee payment: 8 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |