(57)【要約】【課題】比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能とせしめ、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステムの提供。【解決手段】バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、マスタロボットをアドミッタンス型の力覚提示装置とし、マスタロボットの変位を検出するマスタ変位センサと、スレーブロボットの変位を検出するスレーブ変位センサと、マスタロボットを駆動するマスタアクチュエータと、スレーブロボットを駆動するスレーブアクチュエータと、操作者がマスタロボットに加える操作力を検出する操作力センサと、からなるものとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、
前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも１つのマスタ変位センサと、
前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも１つのスレーブ変位センサと、
前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも１つのマスタアクチュエータと、
前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも１つのスレーブアクチュエータと、
前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも１つの操作力センサと、
を備え、
前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、
前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、
ことを特徴とするマスタスレーブシステム。
【請求項２】
操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムの制御方法であって、
少なくとも１つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、
少なくとも１つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、
少なくとも１つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも１つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、
少なくとも１つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、
を含んでなることを特徴とするマスタスレーブシステムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマスタスレーブシステム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
いわゆるマスタスレーブシステムは、マスタロボットとスレーブロボットとが機械式に結合し、連動する機械式のものを発端に、現在に至っている。
図７に、一例となる機械式マスタスレーブシステム２０を示す。このシステムでは、操作者ＵとマスタロボットＭ、そしてマスタロボットＭと相互接続されたスレーブロボットＳとは機械的に結合し、連動している。図７において、ＭＣはマスタロボットＭとスレーブロボットＳとの機械的接続を、ＥはスレーブロボットＳの作業端が置かれた環境を、ＧはマスタロボットＭの操作端となるグリップを表している。
このように機械的に結合する場合、操作者Ｕがダイレクトな操作感を得られるという長所もあるが、操作者ＵとマスタロボットＭ、そしてスレーブロボットＳとの幾何学的拘束から機構設計の自由が制限されると共に、異常時における安全確保に難があるといった短所も存在する。
【０００３】
そこで、そのような機械的に結合した機械式マスタスレーブシステム２０の有用性は依然認めつつも、現在においては、マスタロボットＭとスレーブロボットＳとが電気的に相互接続されており、操作者Ｕ側の入力インターフェースとロボット側の出力インターフェースが機械的には分離している電気式のものが主流となっている。
【０００４】
一般的に、電気式とすれば、ソフトウェア的或いは電気的手段によって融通が利き、柔軟に機構設計できるほか、例えば、大出力のアクチュエータの可動範囲に操作者を入れないような、安全を確保しやすいシステムを構築することができる。
このような特長をもつ電気式マスタスレーブシステムは、遠隔操作を主なアプリケーションとして発展した歴史から、これまでは、位置若しくは力の再現性、機構透明性、或いは通信時間遅れへの対処等を主眼として研究がなされてきた（下記非特許文献３〜６参照）。
【０００５】
しかし、図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを考えると、その視点は変化する。以下にその一端を列挙する。
図６は、上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。この上肢パワー増幅マスタスレーブシステム１’は、マスタロボットＭとスレーブロボットＳとからなっている。各ロボットアームＭ，Ｓは、一端側にそれぞれ操作端となるグリップＧと作業端ｄを有していると共に、他端側が体幹Ｂの異なる位置に備えられている。また、各ロボットアームＭ，Ｓは２本のリンクを有していると共に、グリップＧ或いは作業端ｄに接続される一端側、体幹Ｂに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。電気式マスタスレーブシステムの場合では、これらの関節或いはグリップＧには、適用される制御法にもよるが、必要に応じて変位センサＰｍ１〜３及びＰｓ１〜３、アクチュエータＡｓ１〜３、さらにはＡｍ１〜３、そして、作業力センサＦｓ或いは操作力センサＦｍが備えられる。適用されるべき制御法についてはこれから順を追って説明する。
なおここで、操作者ＵとマスタロボットＭ、そしてマスタロボットＭと相互接続されるスレーブロボットＳとが機械的に結合し、連動しているいわゆる機械式のものについては、制御系が正常に稼働している限り、高増幅率の人間パワー増幅が可能であることが既に示されている（下記非特許文献１〜２参照）。
【０００６】
ｉ）はじめに、図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、マスタスレーブそれぞれの末端は機械的に分離していても体幹は同一の機械システム上にあることを前提とするため、通信時間遅れはないと考えてよい。
【０００７】
ｉｉ）また、図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、操作者Ｕとロボットの相乗効果のためには操作者Ｕの身体スキルをパワー増幅した上でロボットの動特性すなわちダイナミクスに投射することが求められる（下記非特許文献２参照）。これは、次に説明するこれまでの電気式マスタスレーブシステムが追求してきたダイナミクスを「消す」機構透明性という考え方が、図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてはむしろ馴染まないことを示唆する。
【０００８】
ｉｉｉ）さらに、図６のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム１’においては、スレーブロボットＳ側に比較的大出力のアクチュエータＡｓ１〜３が配置される。実装上、スレーブロボットＳ側はこの大出力に耐えられるハードウェアでなければならない。
しかし、一般に多軸力センサは繊細かつ高価である。例えば、下記非特許文献７ではバックホウの出力に耐えられる６軸力センサが存在しないことが指摘されている。
このように、図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいては、多軸力センサをスレーブロボットＳ側に備えるようなハードウェア構成は望ましくない。
【０００９】
ｉｖ）最後に、例えば図６のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム１’においては、マスタロボットＭは人間の可動範囲のスケールを持つが、スレーブロボットＳは大出力に相応しい、比較的大型のスケールであることが予想される。
マスタ、スレーブが同構造か異構造かにかかわらず、減速比やスケール効果によるマスタ、スレーブ間のダイナミクスの相違が必ずしも無視できないことを認識しておかなければならない。
【００１０】
［基本的なバイラテラル制御］
では、上に示したｉ）〜ｉｖ）の視点を踏まえ、現在、電気式マスタスレーブシステムの代表として認識されている基本的なバイラテラル制御を列挙し、対比を通じて利害得失を説明する。以下、（ａ）対称型、（ｂ）力逆送型、そして（ｃ）力帰還型の３例について順次説明する。
なお、電気式マスタスレーブシステムとして、図８に例示されるようなユニラテラル制御３０を適用したものも挙げることは可能ではあるが、これはバイラテラル制御に対して、図８に示すようにマスタＭ側に制御系を置かず単にマスタＭ側からの目標値をスレーブＳの軌道制御を行う軌道制御手段ＰＣｓに送るだけのものであり、例えスレーブＳ側が環境の何かと接触しても操作者Ｕには力感覚を通してはその状況が伝わらないものである。図８において、Ｐｍはマスタ変位センサ、Ｐｓはスレーブ変位センサ、Ａｓはスレーブアクチュエータ、Ｇは操作者により把持されるグリップ、ｄは作業端である。
したがって、図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを電気式マスタスレーブシステムとするにあたっては、スレーブＳ側の作業状況が力感覚として操作者Ｕに伝えられるバイラテラル制御が必然的に適用されることとなる。
【００１１】
まず、図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムの運動方程式を以下のように定める。式（１）がマスタロボット側、式（２）がスレーブロボット側に係るものである。
【数１】
2011189445.tif 000003
【００１２】
時刻ｔにおいて、操作者がマスタロボット末端に加えるマスタ操作力をｆｍ（ｔ）、スレーブ末端が環境に加えるスレーブ作業力をｆｓ（ｔ）とする。ｑｍ（ｔ）、ｑｓ（ｔ）はマスタ変位とスレーブ変位、τｍ（ｔ）、τｓ（ｔ）はマスタロボットＭ或いはスレーブロボットＳを駆動するマスタ駆動力或いはスレーブ駆動力、そして、
【数２】
2011189445.tif 000004
は慣性以外の効果を集約した剰余項であるとする。
なおここで、マスタロボットＭ及びスレーブロボットＳがｎ自由度ロボットとすると、以上ｆｍ（ｔ）、ｆｓ（ｔ）・・・はそれぞれｎ次元ベクトルである（以下、同様とする）。
また、Ｍｍ（ｑｍ）、Ｍｓ（ｑｓ）は慣性行列、Ｊｍ（ｑｍ）、Ｊｓ（ｑｓ）はヤコビ行列であり、これらのヤコビ行列は正則であるとする。ただしこれらは説明を簡単にするための仮定であり、本発明はマスタロボットとスレーブロボットの自由度数が異なっても、ロボットの自由度数と作業座標系の次元数が異なっても、またヤコビ行列が正則でなくても、問題なく適用できるものである。
【００１３】
また、図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムを取り扱うに際しては、変位と力のスケーリングを行なう。マスタからスレーブへの変位と力のスケール比をそれぞれＳｐ、Ｓｆとする。なおＳｐ、Ｓｆはｎ行ｎ列の対角行列である。
【００１４】
（ａ）対称型バイラテラル制御
図９に示すように、対称型バイラテラル制御においてはマスタＭ側及びスレーブＳ側双方に軌道制御手段ＰＣｍ、ＰＣｓを配置し、相手側のロボットの位置・速度が目標値となるような閉ループ系を構成している。同じ軌道制御系がマスタ側とスレーブ側で対称に配置されているのでこう呼ばれている。対称型は、以下の力逆送型や力帰還型バイラテラル制御３２，３３では必要な力センサを必要とせず、さらに安定性の意味でも性質の良い制御法である。図９において、Ａｍはマスタアクチュエータである。
制御則に関しては、例えば作業座標系におけるＰ制御を用いれば以下のようになる。
ｘｍ（ｔ）、ｘｓ（ｔ）はそれぞれマスタ或いはスレーブ末端の作業座標系での位置［ｎ次元ベクトル］、ＫｐはＰ制御ゲインを表すｎ行ｎ列の対角行列である。
【数３】
2011189445.tif 000005
式（３）がマスタロボット側、式（４）がスレーブロボット側に係るものである。
ここで、τｍ＝τｍ（ｘｓ，ｘｍ）とはすなわち、マスタ駆動力τｍはスレーブ変位ｘｓとマスタ変位ｘｍとの関数であることを表し、τｓ＝τｓ（ｘｍ，ｘｓ）とはすなわち、スレーブ駆動力τｓはマスタ変位ｘｍとスレーブ変位ｘｓとの関数であることを表している。
そして、式（１）〜（４）から次式を得る。
【数４】
2011189445.tif 000006
式（５）の右辺第１項及び第２項からも分かる通り、マスタ操作力ｆｍにはマスタロボットＭのダイナミクスの影響が等倍で加わると共に、スレーブロボットＳのダイナミクスの影響とスレーブロボットＳのスレーブ作業力ｆｓがＳｆ−１倍に縮小されて加わる。
すなわち、この対称型バイラテラル制御においては制御系の構成上、操作者が感じる見かけの慣性は、マスタロボットＭの慣性にスレーブロボットＳの慣性が重畳されるため操作感が重くなりがちであるほか、スレーブロボットＳからマスタロボットＭへの力フィードバックを位置制御系の偏差信号に頼るのでマスタ、スレーブ両ロボットの駆動系の摩擦の影響を受けやすいと言った問題があった。
【００１５】
（ｂ）力逆送型バイラテラル制御
図１０に示す力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム３２は、マスタロボットＭの位置・速度を目標値として、スレーブロボットＳが軌道制御されると同時に、スレーブロボットＳ側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力ｆｓがマスタロボットＭ側に逆送されてマスタロボットＭを駆動する方式である。そのため、スレーブロボットＳ末端にはスレーブ作業力ｆｓを計測する作業力センサＦｓが備えられると共にマスタロボットＭ側には駆動力制御手段ＦＣｍが備えられ、スレーブ作業力ｆｓをマスタロボットＭ側に於けるマスタ駆動力τｍへ「反射」させる様構成されている。
力逆送型の場合、スレーブロボットＳはマスタロボットＭに連動する。これは、スレーブロボットＳがマスタロボットＭの動特性すなわちダイナミクスに従って動くと言うことを示唆するものである。これについては次に説明する力帰還型の場合でも同様である。
ここで、マスタロボットＭの制御則は次の通りとなる。なおスレーブロボットＳの制御則は式（４）と同じである。
【数５】
2011189445.tif 000007
ここで、τｍ＝τｍ（ｆｓ）とはすなわち、マスタ駆動力τｍはスレーブ作業力ｆｓの関数であることを表している。
そして、式（１）と式（６）から次式を得る。
【数６】
2011189445.tif 000008
式（７）の右辺第１項からも分かる通り、マスタ操作力ｆｍにはマスタロボットＭのダイナミクスの影響がやはり等倍で加わり、またスレーブロボットＳのスレーブ作業力ｆｓはＳｆ−１倍に縮小される。
【００１６】
（ｃ）力帰還型バイラテラル制御
図１１に示す力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３３は、マスタロボットＭの位置・速度を目標値として、スレーブロボットＳが軌道制御されると同時に、スレーブロボットＳ側で検出された環境との接触力に相当するスレーブ作業力ｆｓを目標値としてマスタロボットＭが力制御される方式である。力逆送型３２との違いは、マスタロボットＭ側にも操作力センサＦｍが備えられ、力目標との誤差を帰還する閉ループが存在することである。この力帰還ループの追加により、力感度等が向上し、マスタロボットＭそしてスレーブロボットＳの見かけの慣性が小さくなって操作感が向上する様構成されている。
以上の一連の説明から明らかな通り、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム３１から、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム３２そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３３へと構成要件が増すにしたがって、マスタスレーブシステム全体の機構透明性の向上が図られていることが理解される。
ここで、マスタロボットＭの制御則は次の通りとなる。Ｋｆは力制御ゲインを表すｎ行ｎ列の対角行列である。なおスレーブロボットＳの制御則は式（４）と同じである。
【数７】
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ここで、τｍ＝τｍ（ｆｓ，ｆｍ）とはすなわち、マスタ駆動力τｍはスレーブ作業力ｆｓとマスタ操作力ｆｍとの関数であることを表している。
そして、式（１）と式（８）から次式を得る。なお、Ｉは単位行列である。
【数８】
2011189445.tif 000010
式（９）の右辺第１項及び第２項からも分かる通り、Ｋｆを十分大きくすればマスタロボットＭのダイナミクスの影響は無視出来る程に小さくなり、スレーブロボットＳのスレーブ作業力ｆｓのみがＳｆ−１倍に縮小されて加わることとなる。
【００１７】
ところで、上記（５）式、（７）式、そして（９）式といった様に対称型マスタスレーブシステム３１、力逆送型マスタスレーブシステム３２、そして力帰還型マスタスレーブシステム３３へと機構透明性を高めるに従い、操作者Ｕは恰も「対象物（だけ）を直接操作している」様な感覚で以てマスタスレーブシステムを操作することが出来る様になる一方で、例えば（９）式にも現れている様に、操作者ＵにとってはスレーブロボットＳのダイナミクスに配慮した操作を行う、といった意識が稀薄にならざるを得ず、いきおい、操作者Ｕに、比較的大出力で大型のスレーブロボットＳであっても、彼若しくは彼女の手許にある比較的小出力のマスタロボットＭのダイナミクスで以て動作するものだという錯覚を与えかねない、またその傾向が強く見られるといった点は問題であった。
【００１８】
すなわち、比較的小出力のマスタロボットＭと比較的大出力で大型のスレーブロボットＳとが電気的に相互接続されてなるマスタスレーブシステムにおいては、同構造であるか異構造であるかにかかわらずマスタロボットＭのダイナミクスとスレーブロボットＳのダイナミクスは当然大きく相違し、例えば、スレーブロボットＳの慣性や摩擦、可動範囲その他の動特性はマスタロボットＭと比較して格段に大きなものとなっている。
その様な前提の下で、スレーブロボットＳのダイナミクスを何らかのかたちで操作者Ｕに伝達しないことは、操作者Ｕに対してスレーブロボットＳのダイナミクスに配慮した適切な操作をさせることを阻害する要因ともなり、マスタスレーブシステムの制御系を検討する際にマンマシンインタフェースの性能の一つとして対応すべき問題であった。
【００１９】
また、そのような比較的大出力で大型のスレーブロボットを想定した場合に於いては、時には劣悪な環境の下に晒され過大な負荷が掛けられるといったスレーブロボットの過酷な使用に耐え得る強靱な力センサを入手し、これをスレーブロボットに備えることは現実的にも非常に困難であり、そうすると、既存の力逆送型、或いは力帰還型と言ったスレーブロボット側で検出された環境との接触力或いは対象物の感触を操作者に還すバイラテラルマスタスレーブシステム３２，３３の適用も難しいという問題があった。
【００２０】
さらに、仮にその様な比較的大出力で大型のスレーブロボットの過酷な使用に耐え得る強靱な力センサが得られたとしても、上記力逆送型、或いは力帰還型と言ったバイラテラルマスタスレーブシステム３２，３３には次のような問題が存する以上、比較的小出力のマスタロボットを操作して比較的大出力で大型のスレーブロボットを操縦する様なマスタスレーブシステムには適用が困難と言った問題もあった。
【００２１】
すなわち、図１０及び１１に示す力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３２，３３においてはスレーブロボットＳに作業力センサＦｓが備えられるところ、例えば、操作者ＵがマスタロボットＭに備えられた操縦桿であるグリップＧから手を離してマスタロボットＭと離間してしまった状態（ｆｍ＝０）でスレーブロボットＳが外力−ｆｓによって無理矢理駆動されると言った状況を想定した場合、スレーブロボットＳに備えられた作業力センサＦｓ出力に基づきマスタロボットＭ側にマスタ駆動力τｍが伝わった際、それがマスタ位置・速度に反映されることとなる。そうすると、そのようなマスタ変位ｘｍが、今度はスレーブロボットＳ側に伝わってしまい、その結果、マスタ変位ｘｍに基づきスレーブロボットＳ側にスレーブ駆動力τｓが伝わってスレーブロボットＳが駆動され、スレーブロボットの作業力センサＦｓ出力が変動するきっかけをもたらし、再びマスタ駆動力τｍ発生、マスタ変位ｘｍ変化・・・と言った具合に閉ループが構成される虞が生じる。その様な閉ループが一旦構成されてしまうと、操作者ＵとマスタロボットＭとの離間状態を解消して適切な操作を加えない限り、スレーブロボットＳの、意図しない動作或いは振動が増大し、最悪の場合、スレーブロボットＳが暴走して周囲に危険を及ぼす可能性があった。この場合も、制御系として安定性が保たれない虞が高かったのである。
【００２２】
これらの危険性或いは周囲に与える影響は特に、スレーブロボットが比較的大出力で大型の場合には大きく、大型であればある程、甚大な被害を周囲に与えかねない危険性を孕んでいると言った問題があった。
すなわち、上記した諸問題は、操作者が安心して操作でき、そしてスレーブロボットの周囲に対しても安心を与えることができるマスタスレーブシステムを提供するに際して必ず解決すべき課題である。
【００２３】
ところが、現在に至るまで、これらの諸問題に着目し、そしてそれを正面から解決した例はこれまで世の中に存在しなかった。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００２４】
【非特許文献１】金岡克弥、“非定型重作業におけるマンマシンシナジーの効果に関する一考察”、第11回建設ロボットシンポジウム論文集、pp. 119?124、2008.
【非特許文献２】金岡克弥、“パワー増幅ロボットシステム設計概論 力学的相互作用にもとづく人と機械の相乗効果を実現するために”、日本ロボット学会誌、26, 3, pp. 255?258、2008.
【非特許文献３】横小路泰義、“マスタ・スレーブ制御の理論”、日本ロボット学会誌、11, 6, pp. 794?802、1993.
【非特許文献４】横小路泰義、吉川恒夫、“マスタ・スレーブ型遠隔操縦システムの操作性”、計測自動制御学会論文集、26, 5, pp. 572?579、1990.
【非特許文献５】D.A. Lawrence, “Stability and Transparency in Bilateral Teleoperation,” IEEE Trans. on Robotics and Automation, 9, 5, pp. 624?637, 1993.
【非特許文献６】佐野明人、藤本英雄、“マスタスレーブシステムの制御系設計の動向”、システム／制御／情報、42, 7, pp. 356?362、1998.
【非特許文献７】白石哲也、平林丈嗣、“バイラテラル操作型水中バックホウの開発について”、システム／制御／情報、50, 7, pp. 248?253、2006.
【非特許文献８】金岡 克弥（編著），木野 仁，橋口 宏衛，田原 健二，菊植 亮，吉田 晴行，杉原 知道（著），あのスーパーロボットはどう動く - スパロボで学ぶロボット制御工学 -，日刊工業新聞社，2010.
【非特許文献９】加藤恵輔、広瀬茂男、“形状帰還型マスタ・スレーブアームの提案と基礎実験”、日本ロボット学会誌、18, 5, pp. 752?757、2000.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
したがって本発明は、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にし、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、本願発明者は、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、操作者によって操られるマスタロボットを、操作者から受けるマスタ操作力を出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うアドミッタンス型の力覚提示装置とし、そして、マスタロボットを、操作者がマスタロボットに加える操作力を検出する操作力センサと、マスタロボットの変位を検出するマスタ変位センサと、マスタ変位とスレーブ変位とに基づきマスタロボットを駆動するマスタアクチュエータとからなるものとし、スレーブロボットを、スレーブロボットの変位を検出するスレーブ変位センサと、マスタ操作力に基づきスレーブロボットを駆動するスレーブアクチュエータとからなるものとすることにより、スレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステムを提供することが可能であることを見い出すとともに、同構成によれば、操作者に、比較的小出力のマスタロボットを操ることによって、恰も比較的大出力のスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にすることを見い出し、本発明を完成した。
【００２７】
上記課題を解決可能な本発明のマスタスレーブシステムは、（１）操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムであって、
前記マスタロボットにおけるマスタ変位を検出する少なくとも１つのマスタ変位センサと、
前記スレーブロボットにおけるスレーブ変位を検出する少なくとも１つのスレーブ変位センサと、
前記マスタロボットを駆動するマスタ駆動力を発生させる少なくとも１つのマスタアクチュエータと、
前記スレーブロボットを駆動するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも１つのスレーブアクチュエータと、
前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出する少なくとも１つの操作力センサと、
を備え、
前記スレーブアクチュエータが前記マスタ操作力に基づき前記スレーブ駆動力を発生させる一方、
前記マスタアクチュエータが、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタ駆動力を発生させる、
ことを特徴とするものである。
【００２８】
さらに本発明のマスタスレーブシステムの制御方法は、（２）操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットと、前記マスタロボットに少なくとも電気的に接続されたスレーブロボットとからなる、バイラテラル制御されるマスタスレーブシステムの制御方法であって、
少なくとも１つの操作力センサにより前記操作者が前記マスタロボットに加えるマスタ操作力を検出するステップと、
少なくとも１つのスレーブアクチュエータにより、前記マスタ操作力に基づき前記スレーブロボットにスレーブ駆動力を発生させるステップと、
少なくとも１つのマスタ変位センサにより前記マスタロボットのマスタ変位を検出し、さらに、少なくとも１つのスレーブ変位センサにより前記スレーブロボットのスレーブ変位を検出するステップと、
少なくとも１つのマスタアクチュエータにより、前記マスタ変位と前記スレーブ変位とに基づき前記マスタロボットにマスタ駆動力を発生させ、前記操作者に力覚を提示するステップと、
を含んでなることを特徴とするものである。
【００２９】
［用語の説明］
本明細書において「操作」と「操縦」は使い分けている。「操作」は、操作する人・動作にフォーカスするローカルな場合に用いている。他方、「操縦」は、操作する人だけではなく操作されるロボットも共に含めた全体の行為としてみる場合に用いることとする。
したがって、本明細書においては、操作者はマスタロボットを操作し、操作者はスレーブロボットを操縦する、というようにしている。
【００３０】
本明細書にいう「パワー増幅ロボット」とは、一般にパワーアシストロボットとして理解されるデバイスの内、人が生身では発揮できない大きなオーダーでロボットがパワーを発揮することによって、人だけではできない重作業をさせることを主な目的とするロボットを指すものとする。
【００３１】
本明細書において「マスタスレーブシステム」とは、マスタロボット及びスレーブロボットのほか、これらを制御する制御装置をも含めた形で統合したものを称するものとする。
【００３２】
本明細書において「ダイナミクス」とは、慣性、摩擦、遠心力等の動特性を全て含んだ包括概念を指し示すものとする。
【００３３】
本明細書において「異構造」とは、マスタスレーブシステムを構成するマスタロボットとスレーブロボットとがそれぞれ別の幾何学的構造を持つものを指し（図５参照）、「同構造」とは、マスタスレーブシステムを構成するマスタロボットとスレーブロボットとが同一の幾何学的構造を持つものを指し示すものとする。
なお、図５に示す異構造マスタスレーブシステム１０において、ｄはスレーブロボットＳの作業端、Ｇは操作者ＵとのインターフェースとなるマスタロボットＭの操作端を表している。
【００３４】
本明細書において「アドミッタンス型」とは、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、操作者から受けるマスタ操作力を出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする（図４参照）。
一方、「インピーダンス型」とは、その反対で、操作者によって操られるマスタロボットにおいて、マスタ変位又は速度を出力する一方で、力入力を受けることによりマスタ駆動力を発生させて操作者に力覚提示を行うものを指し示すものとする。
【００３５】
なお一般的に、インピーダンス型、或いはアドミッタンス型というのはバーチャルリアリティの分野で使われる概念で、マスタスレーブシステムに対して使われることは殆どない。
【００３６】
本明細書における「機構透明性」とは、主にウェアラブルロボットやマスタスレーブシステムの分野で用いられる概念である。これは、「ロボットの操作者が着用あるいは操作しているロボットの機構が持つ動特性（ダイナミクス）が、操作者にとって見かけ上（運動感覚的に）、恰も透明に（何もないかのように）感じられる」という特性を指し示すものとする。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能にし、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することができる。
【００３８】
又本発明によれば、スレーブロボットをスレーブダイナミクスに従って動作させることができ、同時に、マスタロボットがスレーブロボットに連動する、スレーブ側に力センサを要せず、安定なマスタスレーブシステム及びその制御方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明のマスタスレーブシステムの一実施形態を示す図である。
【図２】本発明のマスタスレーブシステムの他の実施形態に係る四肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
【図３】本発明のマスタスレーブシステムのさらに別の実施形態に係る四肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
【図４】インピーダンス型力覚提示とアドミッタンス型力覚提示との概念の違いを説明する図である。
【図５】異構造マスタスレーブマニピュレータの一例を示す図である。
【図６】上肢パワー増幅マスタスレーブシステムの概念図である。
【図７】機械式マスタスレーブシステムの概念図である。
【図８】ユニラテラル制御について示す概念図である。
【図９】対称型バイラテラル制御について示す概念図である。
【図１０】力逆送型バイラテラル制御について示す概念図である。
【図１１】力帰還型バイラテラル制御について示す概念図である。
【図１２】マスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、本発明につき、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明に係るマスタスレーブシステムが完成されるに至った背景については上記の通りであり、図６のような上肢パワー増幅マスタスレーブシステム１’においてはスレーブロボットＳ側に多軸力センサを配置する構成は望ましくないため、ｉ）図１０、或いは図１１のような力逆送型、或いは力帰還型マスタスレーブシステム３２，３３は現実として適用困難であること、ｉｉ）また、力センサを要しない図９のような対称型マスタスレーブシステム３１では高い操作性を保つことが難しいことに帰結する。
【００４１】
［構成］
図１は、本発明に係るマスタスレーブシステムの一実施形態を示す図である。図１は、先に図６として示した上肢パワー増幅マスタスレーブシステムに本発明を適用したものと考えて良い。図１に示された本発明のマスタスレーブシステムと図６に示された上肢パワー増幅マスタスレーブシステムとの表面上の差違点をまず最初に指摘しておくと、図６に於いてスレーブロボットＳの作業端ｄにＦｓとして図示された作業力センサは、本実施形態では不要であり、図１に示されない点が相違点として着目すべきである。
【００４２】
上記背景に端を発する特徴をもつ図１に示された本発明に係るマスタスレーブシステム１において、高い操作性を保つ妥当な方法は、マスタロボットＭ末端Ｇに操作力ｆｍを計測する操作力センサＦｍを配置し、操作力ｆｍをスレーブロボットＳ側に於けるスレーブ駆動力τｓへ「投射」することである。
それゆえ本実施形態ではスレーブロボットＳ側には力センサを配置せず、マスタロボットＭは、スレーブ変位ｘｓとマスタ変位ｘｍとに基づきマスタ駆動力τｍを発生させるマスタアクチュエータＡｍ１〜３によって駆動される。
以下、本明細書に於いてはこのような制御法或いは構成を力順送型(force projection type)バイラテラル制御或いはバイラテラルマスタスレーブシステムと称し、この用語を随時用いるものとする。
【００４３】
図６と同様に、図１に示す本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１は、体幹Ｂの異なる位置に設けられると共に以下の要領で互いに電気的に接続されたマスタロボットＭとスレーブロボットＳとからなっている。本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１において、マスタロボットＭは、操作者Ｕによって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置である。
【００４４】
マスタロボットＭとスレーブロボットＳは、それぞれ、一端側に操作端となるグリップＧと作業端ｄを有していると共に、他端側が体幹Ｂの異なる位置に備えられている。また、マスタロボットＭとスレーブロボットＳは、それぞれ、２本のリンクを有していると共に、グリップＧ或いは作業端ｄに接続される一端側、体幹Ｂに接続される他端側、そしてリンク同士の接続部分に関節を有している。
【００４５】
これらの関節には、マスタ変位センサＰｍ１〜３及びスレーブ変位センサＰｓ１〜３、マスタアクチュエータＡｍ１〜３及びスレーブアクチュエータＡｓ１〜３が備えられている。また本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１においては、グリップＧに操作力センサＦｍが備えられている。さらに、図１に示す通り、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１には、マスタロボットＭ側に軌道制御手段ＰＣｍ、そしてスレーブロボットＳ側に駆動力制御手段ＦＣｓが備えられ、上記のセンサ及びアクチュエータが電気的に接続されている。
【００４６】
操作力センサＦｍは、マスタロボットＭ側に設けられ、操作者Ｕからのマスタ操作力ｆｍを検出する。本実施形態ではマスタロボットＭのグリップＧに設けられている。
スレーブアクチュエータＰｓ１〜３は、スレーブロボットＳの各関節に設けられ、操作力センサＦｍからの信号に基づきスレーブ駆動力制御手段ＦＣｓを通じてスレーブ駆動力τｓを発生させる。
マスタ変位センサＰｍ１〜３は、マスタロボットＭの各関節に設けられ、マスタ変位ｘｍを検出する。またスレーブ変位センサＰｓ１〜３は、スレーブロボットＳの各関節に設けられ、スレーブ変位ｘｓを検出する。
マスタアクチュエータＡｍ１〜３は、マスタロボットＭの各関節に設けられ、マスタ変位ｘｍとスレーブ変位ｘｓとに基づきマスタ駆動力τｍを発生させる。本実施形態ではマスタアクチュエータＡｍ１〜３は、マスタ変位センサＰｍ１〜３及びスレーブ変位センサＰｓ１〜３からの信号の差に基づき軌道制御手段ＰＣｍを通じてマスタ駆動力τｍを発生させる。
【００４７】
このように、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１では、スレーブロボットＳがマスタ操作力ｆｍに基づきスレーブ駆動力τｓを発生させるスレーブアクチュエータＰｓ１〜３によって駆動される一方、マスタロボットＭが、マスタ変位ｘｍとスレーブ変位ｘｓとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τｍを発生させるマスタアクチュエータＡｍ１〜３によって駆動される。
【００４８】
［動作］
以上に概略構成を説明した、操作者によって操られるアドミッタンス型の力覚提示装置であるマスタロボットＭとこれに電気的に接続されたスレーブロボットＳとからなる、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１は、
ｉ）マスタロボットＭ側に設けられた操作力センサＦｍにより操作者Ｕからのマスタ操作力ｆｍを検出するステップと、
ｉｉ）操作力センサＦｍからの信号に基づき、スレーブロボットＳに設けられたスレーブアクチュエータＡｓ１〜３によりスレーブ駆動力τｓを発生させるステップと、
ｉｉｉ）マスタロボットＭに設けられたマスタ変位センサＰｍ１〜３によりマスタ変位ｘｍを検出するステップと、
ｉｖ）スレーブロボットＳに設けられたスレーブ変位センサＰｓ１〜３によりスレーブ変位ｘｓを検出するステップと、
ｖ）マスタ変位センサＰｍ１〜３及びスレーブ変位センサＰｓ１〜３からの信号の差に基づきマスタ駆動力τｍを発生させるマスタアクチュエータＡｍ１〜３によりマスタロボットＭにマスタ駆動力τｍを発生させ、操作者Ｕに力覚を提示するステップと、
を経て制御される。
【００４９】
次に、本実施形態に係る力順送型マスタスレーブシステム１の制御則は、例えば以下のようになる。
【数９】
2011189445.tif 000011
式（１０）がマスタロボット側、式（１１）がスレーブロボット側に係るものである。
ここで、τｍ＝τｍ（ｘｓ，ｘｍ）とはすなわち、マスタ駆動力τｍはスレーブ変位ｘｓとマスタ変位ｘｍとの関数であることを表し、τｓ＝τｓ（ｆｍ）とはすなわち、スレーブ駆動力τｓはマスタ操作力ｆｍの関数であることを表している。
そして、上記した式（２）と式（１１）から次式を得る。
【数１０】
2011189445.tif 000012
式（１２）の右辺第１項及び第２項からも分かる通り、マスタ操作力ｆｍにはスレーブロボットＳのダイナミクスの影響とスレーブロボットＳのスレーブ作業力ｆｓがＳｆ−１倍に縮小されて加わる。
【００５０】
ところで、上の式（１２）の両辺にスケールファクタＳｆを掛けたとすると、次の式（１３）が導かれる。スケールファクタＳｆ自体については先に説明した通りであり、スケールファクタＳｆがあることによって、操作者は、「力持ちになって、スレーブロボット、さらには対象物を操作している感覚」を得ることが可能となる。制御則上、スケールファクタＳｆは謂わば、力持ちの所以とも捉えることが可能なものである。
【数１１】
2011189445.tif 000013
すなわち、これは「自らの操作力をＳｆ倍に増幅した上でスレーブ末端を直接持って操作する」という、非特許文献２或いは８に開示されたパワー増幅の考え方をバイラテラルマスタスレーブシステムへ無理のないかたちで拡張する結果になっている。そして、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１では、スレーブ変位ｘｓとマスタ変位ｘｍとに基づきマスタ駆動力τｍを発生させるマスタアクチュエータＡｍ１〜３によって感覚が逆送される。
【００５１】
なお、一見類似と思しき手法に非特許文献９に開示された形状帰還型マスタ・スレーブアームがあるが、これは、低ゲインバイラテラル制御における感覚の逆送を別ルートで補助するために、高ゲインユニラテラル制御を行なう関節を別途付加する手法であり、純粋なバイラテラル制御技術を提供するものとは言えない。
【００５２】
［特長］
ここで一旦、本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１について特長を纏めると、次の各項目が挙げられる。
１．マスタロボットＭの操作端に操作力センサＦｍを要する一方、スレーブロボットＳ側には力センサを要しないものとする。
２．操作力ｆｍへのマスタダイナミクスの影響を消すこととする。
３．操作力ｆｍへのスレーブダイナミクスの影響を消さない。但し、スケーリングは可能とする。
【００５３】
図１に示す本実施形態に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１では図６のようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムと同様に、マスタロボットＭ側の操作力ｆｍは人力であり、スレーブロボットＳ側の作業力は大出力である。そして、マスタロボットＭ側では環境からの衝撃力を回避することができるが、スレーブロボットＳ側では環境からの衝撃力は不可避である。
つまり、マスタロボットＭ側の条件は多軸力センサにとって適切だが、スレーブロボットＳ側は劣悪である。
したがって、上記１．の特長は図１或いは図６に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムに適している。
【００５４】
また上記２．及び３．の特徴は、以下に述べる通りマンマシンシナジーの観点から重要である。
ここで、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３２，３３では、操作者Ｕは主にマスタロボットＭと環境に支配されるダイナミクスの機械インピーダンスに操作入力を整合させることとなる。一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１では主にスレーブロボットＳと環境に支配されるダイナミクスに整合させることとなる。
【００５５】
例えば、図２又は３に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムによる歩行のようなタスクの場合、力逆送型、或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３２，３３では、操作者Ｕは、「マスタ装置に乗って（あるいは何にも乗らずに）楽に歩ける周期」に操作入力を整合させるが、これはスレーブ装置にとってはマッチングしない歩行周期に無理矢理追従させられる結果となるため、エネルギー伝送に無駄が生じる。
一方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１では、式（１３）にも表れている通り、操作者Ｕは、「自らの操作力ｆｍを増幅した上でスレーブ装置に乗って楽に歩ける周期」に操作入力を整合させることになる。これは、スレーブ装置にとってエネルギー伝送に無駄がない運動となる。
【００５６】
すなわち、操作者Ｕの身体スキルに期待するマンマシンシナジーの観点からは、単なる操作装置にすぎないマスタロボットＭのダイナミクスを感じさせる（あるいは何も感じさせない＝機構透明性）よりも、図１〜３或いは図６に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて支配的なスレーブのダイナミクスを感じさせる方が有利であることが理解される。
【００５７】
［理論検証］
以下では、図１〜３或いは図６に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１を適用することに対する優位性を説明すべく、ある特定の条件下における種々のバイラテラルマスタスレーブシステムの挙動につき検証する。
ここでは、操作力ｆｍを加えないｆｍ＝０のときにおける上述した４種のバイラテラルマスタスレーブシステムすなわち、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム３１、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム３２、力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３３、そして、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１、の挙動について考える。なおこの場合、上述した４種のバイラテラルマスタスレーブシステム３１〜３３並びに１は外力−ｆｓのみによって駆動される。
【００５８】
対称型バイラテラルマスタスレーブシステム３１の場合は式（５）より、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム３２の場合は式（７）より、そして力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３３の場合は式（９）より、それぞれ次の式（１４）〜（１６）が得られる。
【数１２】
2011189445.tif 000014
式（１４）〜（１６）それぞれの右辺第１項を見ても明らかな通り、これらの手法では、スレーブロボットＳが外力を受けると、やはり操作装置にすぎないマスタロボットＭのダイナミクスの影響下でマスタスレーブシステムが動作してしまう。特に、力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３３で操作性を高めるために力制御ゲインＫｆを大きくすると、少しの外力−ｆｓによってもマスタロボットＭが大きく動かされることとなる。
【００５９】
他方、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１の場合は、式（１２）より、
【数１３】
2011189445.tif 000015
である。このときスレーブロボットＳは、式（１７）右辺を見ても明らかな通り、外力に対して自身のダイナミクスで動く。
つまり、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１においては、「スレーブロボットＳはスレーブダイナミクスに従って動く」ということが理論上からも検証されたのである。この点は一見、自然の摂理に従った極く極く当り前の様なことにも見えるが、図１〜３或いは図６に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
上からも明らかな通り、力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１においては、外力によってマスタスレーブシステムが過大に動かされることはない。
【００６０】
ところで、対称型バイラテラルマスタスレーブシステム３１、力逆送型バイラテラルマスタスレーブシステム３２及び力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３３では、式（４）によって「スレーブロボットＳがマスタロボットＭに連動」する。外力−ｆｓによってマスタロボットＭが動かされる（式（１４）〜（１６）参照）とスレーブロボットＳも連動し、それによって外力−ｆｓが変化する。これはマスタスレーブシステムの不安定化の一因となる。つまり、操作者Ｕが何もしなくても外力−ｆｓのみによってバイラテラル制御が不安定化される可能性があるのである。
【００６１】
他方、本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１では、式（１０）によって「マスタはスレーブに連動」するが、先ほど理論検証として説示した様に操作力ｆｍ＝０であれば式（１７）のようにスレーブはマスタから切り離される。
つまり、操作者がマスタから手（足）を放せば、外力によってバイラテラル制御が不安定化されることはない。この点も、図１〜３或いは図６に例示するようなパワー増幅ロボットとしてのマスタスレーブシステムにおいてバイラテラル制御を適用する際には、極めて重要な性能上の判断要素と認識すべきものである。
【００６２】
［アドミッタンス型力覚提示とインピーダンス型力覚提示とについて］
上述した通り、図１に示す本発明の力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１では、操作者Ｕによって操られるマスタロボットＭを、操作者Ｕから受けるマスタ操作力ｆｍを出力する一方で、変位又は速度入力を受けることによりマスタ駆動力τｍを発生させて操作者に力覚提示を行うアドミッタンス型の力覚提示装置としている。すなわち、図４に示す通り、マスタロボットＭ側から見ると、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１はアドミッタンス型の力覚提示であるということができる。
【００６３】
これと異なり、図１０或いは１１に示す力逆送型或いは力帰還型バイラテラルマスタスレーブシステム３２，３３では、マスタロボットＭはインピーダンス型力覚提示装置だということができる（図４参照）。
インピーダンス型の力覚提示の場合、マスタロボットＭにおいては装置のどの部分からでも操作入力できる。一方、スレーブロボットＳでは作業力センサＦｓ部分からの反力でないと力覚提示することができない。すなわち、操作者Ｕは、スレーブロボットＳの作業力センサＦｓ部分以外を使った作業は力覚なしで行なわなければならず、作業力センサＦｓ部分以外での環境との接触を認識できない可能性がある。
【００６４】
しかし、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１はマスタロボットＭをアドミッタンス型力覚提示装置としているため、スレーブロボットＳのどの部分からの反力でもマスタロボットＭに提示することができる。一方、操作者ＵによるマスタロボットＭに対する操作入力は操作力センサＦｍ部分から行うこととなる。
【００６５】
［一般形での表現］
ところで、マスタスレーブシステムのバイラテラル制御系には一般形での表現が与えられている（非特許文献４参照）。図１２に、マスタスレーブシステムの制御系の一般的表現について示す概念図を示す。
本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１についても同様な表記の可能性を試みたところ、一般形が次のように表現可能なことが遡って検証された。なお、Ｋｍ、Ｋｓはマスタスレーブシステムのゲイン行列とする。
【数１４】
2011189445.tif 000016
【００６６】
ここで、上記一般形に当て嵌めるとするならば、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステム１の制御則は、次のように表現することができる。
【数１５】
2011189445.tif 000017
このような設定でバイラテラル制御が論じられている例はこれまで世の中に存在しなかった。
【００６７】
［変形例］
以上、一実施形態を用いて本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムを順に説明してきたが、本願発明は上記一実施形態記載の構成に限定されず、種々の変形実施が可能である。
例えば、本実施形態においてはマスタアクチュエータＡｍ１〜３は、マスタ変位ｘｍと前記スレーブ変位ｘｓとの間に生じた誤差に基づきマスタ駆動力τｍを発生させているところ、そのような構成には限定されず、誤差以外の量、例えば変位の微分量などに基づきマスタ駆動力τｍを発生させる制御を行っても構わない。
マスタ又はスレーブアクチュエータの数、マスタ又はスレーブ変位センサの数も上記実施形態記載の個数に限定されない。
また、上記実施形態記載においては、単に変位、駆動力と述べているが、変位は並進変位に限らず回転変位の混在を許容する一般化変位としてよく、また駆動力は並進力に限らず回転トルクの混在を許容する一般化駆動力としてよい。
【００６８】
以上に述べる通り、本発明に係る力順送型バイラテラルマスタスレーブシステムは、比較的小出力のマスタロボットを操作者が操ることによって、少なくとも電気的に接続された比較的大出力のスレーブロボットを操縦するマスタスレーブシステムにおいて、操作者に、まるでスレーブロボットを直接持っているかのような直感的な操縦を可能とせしめ、なおかつスレーブロボット側に力センサを必要としないマスタスレーブシステムを提供することができる新規かつ有用なるものであることが明らかである。
【符号の説明】
【００６９】
Ｂ  体幹
ｄ、ｄＡ、ｄＬ  作業端
Ｅ  環境
Ｇ、ＧＡ、ＧＬ  グリップ
Ｍ、ＭＡ、ＭＬ  マスタ
ＭＣ  機械的接続
Ｓ、ＳＡ、ＳＬ  スレーブ
Ｕ  オペレータ
Ａｍｎ  マスタアクチュエータ（ｎ：整数）
Ａｓｎ  スレーブアクチュエータ（ｎ：整数）
Ｆｍ  操作力センサ
Ｆｓ  作業力センサ
Ｐｍｎ  マスタ変位センサ（ｎ：整数）
Ｐｓｎ  スレーブ変位センサ（ｎ：整数）
ＦＣｍ、ＦＣｓ  駆動力制御手段
ＰＣｍ、ＰＣｓ  軌道制御手段
１  力順送型バイラテラル制御に係るマスタスレーブシステム
１’  一般化されたバイラテラル制御によるマスタスレーブシステム
１０  異構造マスタスレーブマニュピュレータ
２０  機械式マスタスレーブシステム
３０  ユニラテラル制御システム
３１  対称型バイラテラル制御システム
３２  力逆送型バイラテラル制御システム
３３  力帰還型バイラテラル制御システム
５０  一般化コントローラ
１００  一般化表現されたマスタスレーブシステム
【図１】
2011189445.tif 000018
【図２】
2011189445.tif 000019
【図３】
2011189445.tif 000020
【図４】
2011189445.tif 000021
【図５】
2011189445.tif 000022
【図６】
2011189445.tif 000023
【図７】
2011189445.tif 000024
【図８】
2011189445.tif 000025
【図９】
2011189445.tif 000026
【図１０】
2011189445.tif 000027
【図１１】
2011189445.tif 000028
【図１２】
2011189445.tif 000029