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触覚制御方法および触覚制御装置 コモンズ

国内特許コード P110005580
整理番号 5066
掲載日 2011年8月18日
出願番号 特願2006-057632
公開番号 特開2007-229897
登録番号 特許第4876246号
出願日 平成18年3月3日(2006.3.3)
公開日 平成19年9月13日(2007.9.13)
登録日 平成23年12月9日(2011.12.9)
発明者
  • 大石 潔
  • 桂 誠一郎
  • 鈴山 駿行
出願人
  • 国立大学法人長岡技術科学大学
発明の名称 触覚制御方法および触覚制御装置 コモンズ
発明の概要

【課題】複数台のロボットによる触覚情報の共有制御を実現可能にする。
【解決手段】第1外乱オブザーバ11,12,15と第2外乱オブザーバ51,52,53によって、マスタ1,2およびスレーブ5を加速度次元で制御する。これにより、システムのロバスト性を確保しつつ、マスタ1,2およびスレーブ5の位置変位をそれぞれゼロにする位置制御と、マスタ1,2およびスレーブ5が作用・反作用の法則を満たすような力制御を、仮想空間上で各々独立して行なうことが可能になる。そのため、それまでマスタとスレーブが1対1のシステムでしか実現し得なかった触角共有制御を、2台以上のマスタ1,2と1台以上のスレーブ5とにより実現できる。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


近年、電話やテレビなどの聴覚情報や視覚情報に次ぐ情報として、触覚情報が大いに注目されている。この触覚情報は、作用と反作用の法則に従っているため、音響情報や視覚情報と比較して制御が困難である。そのため、触覚伝達技術の分野では、バイラテラル制御が代表的な方法として用いられ、この技術の急速な発展につれて、バイラテラル制御の研究が非常に広い範囲で行なわれている。



バイラテラル制御は、マスタとスレーブとの間で位置(姿勢)と力の状態を一致させるように制御することで、マスタからスレーブへの位置制御と、スレーブからマスタへの力制御を同時に行なう制御方法である。この制御方法を応用することで、例えば遠隔地からの爆発物処理技術や遠隔地からの手術のように、作業時の加工反力や振動などの情報を操作者が感じながら、遠隔操作による精巧な作業が可能になる。



バイラテラル制御を実現する装置や方法の例として、例えば特許文献1には、操作者により操作されるマスタと、このマスタの操作に応じて動作するスレーブとを備えたマスタ・スレーブ装置において、スレーブが環境と接触している状態では、マスタを操作する操作者に力覚・触覚を呈示するために、スレーブにかかる力が、マスタに加えられる力と特定の関係にある力に追従するように、アクチュエータによりスレーブを力制御する一方で、スレーブが環境と接触していない状態では、スレーブの位置とマスタの位置がお互いに追従するように、モータによりマスタを位置制御し、且つ前記アクチュエータによりスレーブを位置制御するものが開示されている。



また別な特許文献2には、スレーブが環境に接触していない状態では、マスタの位置座標により作成した位置指令値に基づき、スレーブの位置制御を行ない、スレーブが環境と接触している状態では、ハンチングなどの不安定な振動を抑制するために、環境の法線方向にほぼ一致する力制御方向に関して、力目標値と力センサで測定した反力が一致するように力制御を行なうと同時に、前記力制御方向に直交する位置制御方向に関して、マスタの位置座標により作成した位置指令値に基づき、スレーブの位置制御を行なうハイブリッド制御を行ない、さらにこのハイブリッド制御により、操作者がスレーブを力制御方向に動かせなくなることを回避するために、操作者のスイッチ操作によって、予め決められた速度でスレーブを環境から離れる方向へ動作させるように、スレーブに動作指令を行なう別な制御モード(遷移モード)を付加したものが開示されている。

【特許文献1】特開2002-307336号公報

【特許文献2】特開平8-281573号公報

産業上の利用分野


本発明は、操作端であるマスタと作業端であるスレーブとの間で、マスタからスレーブへの位置制御と、スレーブからマスタへの力制御とを共に実現可能にする触覚制御方法および触覚制御装置に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
複数台のマスタと、一台以上のスレーブとを備え、
操作者によるそれぞれの前記マスタの操作に応じて動作するように、環境に接触する前記スレーブを制御する触覚制御方法において、
第1外乱オブザーバにより前記マスタおよび前記スレーブに加わるそれぞれの外力を推定し、その推定値を前記マスタおよび前記スレーブの入力にそれぞれフィードバックすることで、加速度次元で当該マスタおよび当該スレーブを個々に制御するステップを備え、
前記マスタおよび前記スレーブからの各位置応答を、実空間における第1加速度応答値としてそれぞれ取得し、その中で選択される2つの前記第1加速度応答値の差を各々算出して仮想空間に変換出力する差モード生成のステップと、
記仮想空間に設けられ、前記差モード生成のステップからの出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブの位置変位をそれぞれゼロにするために、加速度次元での位置指令値を各々生成する位置制御のステップと、
記仮想空間からの前記位置指令値を、実空間における前記マスタおよび前記スレーブへの第1加速度参照値にそれぞれ変換して出力するステップと、を行ないながら、
2外乱オブザーバにより前記マスタおよび前記スレーブの各反力を推定し、実空間におけるそれぞれの力応答を第2加速度応答値として出力するステップと、
記各第2加速度応答値を加算して前記仮想空間に出力する和モード生成のステップと、
前記仮想空間に設けられ、前記和モード生成のステップからの出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブが作用・反作用の法則を満たすような力応答に見合う第2加速度参照値を、当該マスタおよび当該スレーブにそれぞれ出力する力制御のステップと、を行なうことを特徴とする触覚制御方法。

【請求項2】
前記マスタからの前記実空間における第1加速度応答値に、そのマスタの反力推定値に対する全ての前記マスタの反力推定値の比を乗じたIR乗算値を、前記各マスタに対応して各々前記差モード生成のステップに出力する演算ステップをさらに行ない、
前記差モード生成のステップで、各々の前記IR乗算値と、前記スレーブからの第1加速度応答値の中で、2つの値の差を各々算出して仮想空間に変換出力すると共に、
前記マスタへの第1加速度参照値に、全ての前記マスタの反力推定値に対するそのマスタの反力推定値の比を乗じた値を、当該マスタに出力する逆演算ステップをさらに行なうことを特徴とする請求項1記載の触覚制御方法。

【請求項3】
操作者により操作される複数台のマスタと、前記操作者によるそれぞれの前記マスタの操作に応じて環境に接するように動作する一台以上のスレーブとを備えた触覚制御装置において、
前記マスタおよび前記スレーブに加わるそれぞれの外力を推定する第1外乱オブザーバと、
加速度次元で前記マスタおよび前記スレーブを個々に制御するために、前記外力の推定値を当該マスタおよび当該スレーブの入力にそれぞれフィードバックするフィードバック部と、
前記マスタおよび前記スレーブからの各位置応答を、実空間における第1加速度応答値としてそれぞれ取得し、その中で選択される2つの前記第1加速度応答値の差を各々算出して仮想空間に変換出力する差モード生成手段と、
前記マスタおよび前記スレーブの各反力を推定し、実空間におけるそれぞれの力応答を第2加速度応答値として出力する第2外乱オブザーバと、
前記各第2加速度応答値を加算して前記仮想空間に出力する和モード生成手段と、
前記仮想空間に設けられ、前記差モード生成手段からの出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブの位置変位をそれぞれゼロにするために、加速度次元での位置指令値を各々生成する位置コントローラと、
前記仮想空間からの前記位置指令値を、実空間における前記マスタおよび前記スレーブへの第1加速度参照値にそれぞれ変換して出力する逆変換手段と、
前記仮想空間に設けられ、前記和モード生成手段からの出力に基づいて、前記マスタおよび前記スレーブが作用・反作用の法則を満たすような力応答に見合う第2加速度参照値を、当該マスタおよび当該スレーブにそれぞれ出力する力コントローラと、を備えたことを特徴とする触覚制御装置。

【請求項4】
前記マスタからの前記実空間における第1加速度応答値に、そのマスタの反力推定値に対する全ての前記マスタの反力推定値の比を乗じたIR乗算値を、前記各マスタに対応して各々前記差モード生成手段に出力するIR演算手段を備え、
前記差モード生成手段は、各々の前記IR乗算値と、前記スレーブからの第1加速度応答値の中で、2つの値の差を各々算出して仮想空間に変換出力するものであると共に、
前記マスタへの第1加速度参照値に、全ての前記マスタの反力推定値に対するそのマスタの反力推定値の比を乗じた値を、当該マスタに出力するIR逆演算手段を備えたことを特徴とする請求項3記載の触覚制御装置。
産業区分
  • その他運輸
  • 工業用ロボット
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2006057632thum.jpg
出願権利状態 権利存続中
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