(57)【要約】【課題】機構的構造によりスレーブロボットのバックドライバビリティが低いマスタスレーブシステムにおいて、該バックドライバビリティを高くすることのできるマスタスレーブシステムを提供する。【解決手段】本発明に係るマスタスレーブシステム１は、スレーブロボットを駆動力制御するスレーブ駆動力τｓを発生させるスレーブアクチュエータＡｓ１〜３と、スレーブアクチュエータＡｓ１〜３の最終出力軸に実際に作用しているスレーブ実駆動力τｓａを計測する実駆動力センサＦｓ１〜３と、スレーブ実駆動力τｓａの目標値であるスレーブ目標実駆動力τｓａｄを操作者Ｕがマスタロボットに加えたマスタ操作力ｆｍに基づいて演算により求めるスレーブ目標実駆動力演算装置３とを備える。スレーブアクチュエータＡｓ１〜３は、スレーブ目標実駆動力τｓａｄとスレーブ実駆動力τｓａとに基づいてスレーブ駆動力τｓを発生させる。【選択図】図１
2015208829.tif 000002
【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、かつ前記マスタロボットから少なくとも体幹以外が機械的に独立して動作する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を位置制御するマスタ駆動力を発生させる少なくとも一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力制御するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも一つのスレーブアクチュエータと、
前記マスタロボットにおけるマスタ変位を計測する少なくとも一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計測する少なくとも一つのスレーブ変位センサと、
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計測する少なくとも一つの操作力センサと、
前記スレーブアクチュエータの最終出力軸に実際に作用しているスレーブ実駆動力を計測する少なくとも一つの実駆動力センサと、
前記マスタ変位の目標値であるマスタ目標変位を前記スレーブ変位に基づいて演算により求めるマスタ目標変位演算装置と、
前記スレーブ実駆動力の目標値であるスレーブ目標実駆動力を前記マスタ操作力に基づいて演算により求めるスレーブ目標実駆動力演算装置と、
を備え、
前記マスタアクチュエータが前記マスタ目標変位と前記マスタ変位とに基づいて前記マスタ駆動力を発生させる一方、前記スレーブアクチュエータが前記スレーブ目標実駆動力と前記スレーブ実駆動力とに基づいて前記スレーブ駆動力を発生させることで、
（１）前記スレーブロボットが環境に加えるスレーブ作業力を前記バイラテラル制御のために計測するスレーブロボット作業端の作業力センサを不要とし、
（２）前記操作者に前記マスタロボットのマスタダイナミクスと前記スレーブアクチュエータの内部のダイナミクスとを感じさせることなく、前記スレーブアクチュエータの外部のダイナミクスを感じさせるようにした
ことを特徴とするマスタスレーブシステム。
【請求項２】
前記スレーブアクチュエータは、前記スレーブ駆動力を発生させる駆動源と、前記駆動源の出力軸に設けられた駆動力・負荷整合手段もしくは駆動力伝達手段とを含み、
前記実駆動力センサは、前記最終出力軸である前記駆動力・負荷整合手段もしくは前記駆動力伝達手段の出力軸に設けられた、一軸の前記スレーブ実駆動力を計測し得る一軸力センサである
ことを特徴とする請求項１に記載のマスタスレーブシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力順送型バイラテラル制御が適用されるマスタスレーブシステムに関する。
【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的に結合し、連動する機械式マスタスレーブシステムが発端となっている。機械式マスタスレーブシステムには、操作者が直接的な操作感を得られるという長所があるが、操作者とマスタロボットおよびスレーブロボットとの幾何学的拘束から機構設計の自由が制限されるとともに、駆動源が人力であることから操作が重くならざるを得ず、また、異常時における安全確保に難があるという短所も存在する。
【０００３】
そこで、機械式マスタスレーブシステムの有用性は認めつつも、現在においては、マスタロボットとスレーブロボットとが電気的に相互接続され、かつ機械的には分離されて、両者が独立に動作可能な電気式マスタスレーブシステムが主流となっている。一般的に、電気式とすれば、電気的またはソフトウェア的手段による融通が利き、柔軟に機構を設計することができ、しかも、大出力アクチュエータの作業領域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可能となる。
【０００４】
このような特徴を持つ電気式マスタスレーブシステムは、遠隔操作（テレオペレーション）を主なアプリケーションとして発展してきたために、これまでは、位置や力の再現性、透明性、または通信時間遅延の改善を主眼として研究がなされてきた。以下、電気式マスタスレーブシステムにおける基本的なバイラテラル制御について俯瞰的に説明する。
【０００５】
まず、マスタロボットおよびスレーブロボットのダイナミクスを表現する運動方程式を、説明の便宜のため、一例として以下のように定める。
【数１】
2015208829.tif 000003
【数２】
2015208829.tif 000004
ｆｍ（ｔ）は、時刻ｔにおいて操作者がマスタロボット操作端に加えるマスタ操作力、ｆｓ（ｔ）は、同じく時刻ｔにおいてスレーブロボット作業端が環境（作業対象）に加えるスレーブ作業力である。また、マスタロボットおよびスレーブロボットのそれぞれについて、ｑｍ（ｔ）、ｑｓ（ｔ）は関節変位、τｍ（ｔ）、τｓ（ｔ）は関節駆動力、Ｍｍ（ｑｍ）、Ｍｓ（ｑｓ）は慣性行列、ｒｍ（ｑ・ｍ，ｑｍ）、ｒｓ（ｑ・ｓ，ｑｓ）は慣性以外の効果を集約した剰余項である。Ｊｍ（ｑｍ）、Ｊｓ（ｑｓ）は微分運動学を表現するヤコビ行列であり、以下の関係を満たす。
【数３】
2015208829.tif 000005
【数４】
2015208829.tif 000006
ｘｍ（ｔ）、ｘｓ（ｔ）は、それぞれｑｍ（ｔ）、ｑｓ（ｔ）に対応するマスタロボットの操作端およびスレーブロボットの作業端の作業座標系における変位である。なお、本明細書では、関数の独立変数を示す“（ｔ）”等の記述を省略して表記することがある。
【０００６】
［対称型バイラテラル制御］
対称型のバイラテラル制御は、マスタ・スレーブの双方向の変位誤差サーボである。この制御では力センサが不要となるため、比較的安定な系を簡単に構成することができる。作業座標系における比例制御を用いれば、マスタロボットの制御則およびスレーブロボットの制御則は、例えば以下のようになる。
【数５】
2015208829.tif 000007
【数６】
2015208829.tif 000008
Ｋｐは位置制御ゲインである。また、Ｓｆはマスタロボットからスレーブロボットへの力のスケール比、Ｓｐはスレーブロボットからマスタロボットへの変位のスケール比である。
【０００７】
マスタダイナミクス（１）、スレーブダイナミクス（２）、マスタ制御則（５）およびスレーブ制御則（６）から、次式が得られる。
【数７】
2015208829.tif 000009
このように、対称型バイラテラル制御では、マスタ操作力ｆｍにマスタダイナミクスの影響が等倍で加わるとともに、スレーブダイナミクスの影響とスレーブ作業力ｆｓがＳｆ-1倍で加わる。
【０００８】
［力逆送型バイラテラル制御］
力逆送型のバイラテラル制御では、スレーブロボットの作業端にスレーブ作業力ｆｓを計測する作業力センサを配置し、スレーブ作業力ｆｓをマスタの駆動力へ「反射」させる。この場合、マスタ制御則は次式のようになる。なお、スレーブ制御則は対称型バイラテラル制御における式（６）と同じである。
【数８】
2015208829.tif 000010
【０００９】
マスタダイナミクス（１）およびマスタ制御則（８）から、次式が得られる。
【数９】
2015208829.tif 000011
対称型バイラテラル制御と同様、力逆送型バイラテラル制御では、マスタ操作力ｆｍにマスタダイナミクスの影響が等倍で加わるとともに、スレーブ作業力ｆｓがＳｆ-1倍で加わる。一方、マスタ操作力ｆｍは、スレーブダイナミクスの影響を受けない。
【００１０】
［力帰還型バイラテラル制御］
力帰還型のバイラテラル制御では、マスタロボットの操作端にマスタ操作力ｆｍを計測する操作力センサを配置するとともに、スレーブロボットの作業端にスレーブ作業力ｆｓを計測する作業力センサを配置し、マスタ側で力誤差サーボを構成する。この場合、マスタ制御則は次式のようになる。
【数１０】
2015208829.tif 000012
上式は、力逆送型のマスタ制御則（８）に、右辺第１項の力誤差サーボを追加したものである。なお、Ｋｆは力制御ゲインである。また、スレーブ制御則は対称型バイラテラル制御における式（６）と同じである。
【００１１】
マスタダイナミクス（１）およびマスタ制御則（１０）から、次式が得られる。なお、Ｉは単位行列である。
【数１１】
2015208829.tif 000013
【００１２】
そして、上式において力制御ゲインＫｆを十分に大きくすれば、次式が得られる。
【数１２】
2015208829.tif 000014
このように、力帰還型バイラテラル制御では、力制御ゲインＫｆを十分に大きくすることで、マスタ操作力ｆｍへのマスタダイナミクスの影響は無視できる程小さくなり、マスタ操作力ｆｍにはスレーブ作業力ｆｓのみがＳｆ-1倍で加わる。ただし、実装上は力制御ゲインＫｆを大きくするにつれてバイラテラル制御の安定性が損なわれるため、マスタ操作力ｆｍへのマスタダイナミクスの影響を完全に消すことは難しく、透明性を完全に実現することはできない。
【００１３】
［並列型バイラテラル制御］
宮崎らは、非特許文献１において、これまでのバイラテラル制御の直列的な接続方法を改良した並列型バイラテラル制御を提案した。並列型では、マスタロボットの操作端にマスタ操作力ｆｍを計測する操作力センサを配置するとともに、スレーブロボットの作業端にスレーブ作業力ｆｓを計測する作業力センサを配置して、マスタ・スレーブで並列に変位誤差サーボを構成する。この場合、制御則は例えば以下のようになる。
【数１３】
2015208829.tif 000015
【数１４】
2015208829.tif 000016
【数１５】
2015208829.tif 000017
なお、ｘｄ（ｔ）は、時刻ｔにおけるスレーブロボットの作業端およびスケールされたマスタロボットの操作端の作業座標系での目標変位である。
【００１４】
マスタダイナミクス（１）、スレーブダイナミクス（２）、マスタ制御則（１３）、スレーブ制御則（１４）および目標変位演算（１５）から、次式が得られる。
【数１６】
2015208829.tif 000018
そして、上式において力制御ゲインＫｆを十分に大きくすれば、次式が得られる。
【数１７】
2015208829.tif 000019
マスタ制御則とスレーブ制御則とを並列に構成することで位相遅れが減少し、バイラテラル制御の安定性が向上することが並列型バイラテラル制御の利点である。しかしながら、式（１６）右辺第１項、第２項のように、並列型バイラテラル制御では、マスタ操作力ｆｍがマスタダイナミクスおよびスレーブダイナミクスの両方の影響を受ける。さらに、式（１６）右辺第３項のように、並列型バイラテラル制御では、マスタ操作力ｆｍに元々のダイナミクスには存在しないバネ項まで付加される。力制御ゲインＫｆを大きくすればこれらの影響は無視できるほど小さくなるが、安定性が向上しているとはいえ、実装上は力制御ゲインＫｆを大きくするにつれてバイラテラル制御の安定性が損なわれるため、結局、並列型バイラテラル制御でも透明性を完全に実現することはできない。
【００１５】
［力順送型バイラテラル制御］
ここまで、対称型、力逆送型、力帰還型および並列型を含む、基本的なバイラテラル制御について述べたが、これらをはじめとする従来のバイラテラル制御は、以下の問題１〜１０を有していた。
［問題１］・・・力逆送型、力帰還型および並列型に共通する問題
制御にスレーブ作業力ｆｓの情報を必要とするため、スレーブロボットに作業力センサを実装できないシステムには適用が困難である。
［問題２］・・・対称型および力逆送型に共通する問題
マスタロボットの変位誤差によってシステムが駆動される制御であるため、人力で簡単にマスタロボットの変位誤差を発生することができるように、すわなち、高いバックドライバビリティが保たれるようにマスタロボットの慣性および摩擦を極力小さくしておかなければならない。このため、マスタロボットを華奢で低減速比の非力な機構とすることが必須である。
［問題３］・・・対称型、力逆送型、力帰還型および並列型に共通する問題
マスタダイナミクスがマスタ操作力ｆｍに影響を及ぼす制御であるため、操作性向上のためには、やはりマスタロボットの慣性および摩擦を極力小さくしておかなければならない。このため、マスタロボットを華奢で低減速比な非力な機構とすることが望まれる。
［問題４］・・・力逆送型および力帰還型に共通する問題
透明性を規範とする、すなわちスレーブダイナミクスがマスタ操作力ｆｍに影響を及ぼさない制御であるため、スレーブダイナミクスを感じることによる操作者のスキル向上、ひいては、スレーブロボット操作の効率化および最適化を期待できない。
［問題５］・・・力帰還型および並列型に共通する問題
透明性を規範とする制御であるにもかかわらず、透明性と安定性はトレードオフの関係にあるため、必要な安定性を確保すると、透明性が実現されなくなる可能性がある。
［問題６］・・・力逆送型、力帰還型および並列型に共通する問題
スレーブロボットに配置した作業力センサが硬い環境へ接触すると、システムが不安定化する危険（スレーブロボットの接触安定性の問題）がある。これを防ぐためには、力制御ゲインＫｆを十分に下げておくか、あるいは、スレーブロボットと環境とが接触していないときと接触しているときとで制御則を切り替えることが考えられるが、前者は操作性および透明性を低下させ、後者は実装を煩雑にする。
［問題７］・・・対称型、力逆送型、力帰還型および並列型に共通する問題
スレーブロボットとマスタロボットが常に双方向に接続されているため、操作者がマスタロボットに対して何もしなくてもスレーブロボットに加えられる外力−ｆｓのみによってシステムに不安定な挙動が励起される危険がある。
［問題８］・・・対称型、力逆送型、力帰還型および並列型に共通する問題
スレーブロボットへの指令値が位置であり、位置制御によってスレーブダイナミクスをキャンセルしなければならないため、制御系への負荷が大きい。さらに、位置制御ベースの制御則では、必ずしも他の制御則を重畳することができるとは限らない。
［問題９］・・・力逆送型、力帰還型および並列型に共通する問題
スレーブロボットの位置制御においてスレーブアクチュエータの出力が不足してスレーブ駆動力τｓが飽和すると、マスタ変位とスレーブ変位との誤差が増大し、操作性が低下する可能性がある。
［問題１０］・・・対称型、力逆送型、力帰還型および並列型に共通する問題
スレーブロボットに作業座標系での位置制御を適用すると特異点問題が生じ、スレーブロボットの姿勢が特異点近傍となったときに制御が破綻する可能性がある。
【００１６】
これらの問題をエレガントに解決し得る新たなバイラテラル制御として、本発明者は、特許文献１において「力順送型バイラテラル制御」の基本構成を提案した。力順送型では、マスタロボットの操作端にマスタ操作力ｆｍを計測する操作力センサを配置し、計測したマスタ操作力ｆｍをスレーブ駆動力τｓへ「投射」する。力順送型バイラテラル制御におけるマスタ制御則およびスレーブ制御則は、例えば以下のようになる。
【数１８】
2015208829.tif 000020
【数１９】
2015208829.tif 000021
【００１７】
スレーブダイナミクス（２）およびスレーブ制御則（１９）から、次式が得られる。
【数２０】
2015208829.tif 000022
このように、力順送型バイラテラル制御では、マスタ操作力ｆｍにスレーブダイナミクスの影響とスレーブ作業力ｆｓがＳｆ-1倍で加わる。すなわち、力順送型バイラテラル制御とは、スレーブロボットが環境（作業対象）に加えるスレーブ作業力ｆｓを計測するのではなく、操作者がマスタロボットに加えるマスタ操作力ｆｍを計測することで、マスタからスレーブへは力情報を順送し、スレーブからマスタへは変位情報を逆送する手法である。
【００１８】
力順送型バイラテラル制御は、以下の特徴１〜１０を有している。
［特徴１］
スレーブ作業力ｆｓの情報を必要としないため、スレーブロボットに作業力センサを実装できないシステムにも適用することができる。
［特徴２］
マスタロボットの変位誤差ではなく、操作者がマスタロボットに加えるマスタ操作力ｆｍによってシステムが駆動されるため、マスタロボットにバックドライバビリティが必要とされず、その結果、マスタロボットを人力に対して堅牢で、高精度で、かつ強力な機構とすることができる。
［特徴３］
マスタダイナミクスがマスタ操作力ｆｍに影響を及ぼさない制御であるため、操作性向上のためにマスタロボットの慣性および摩擦を小さくしておく必要がない。このため、特徴２とは別の理由で、やはりマスタロボットを人力に対して堅牢で、高精度で、かつ強力な機構とすることができる。
［特徴４］
透明性を規範としない、すなわちスレーブダイナミクスがマスタ操作力ｆｍに影響を及ぼす制御であるため、スレーブダイナミクスを感じることによる操作者のスキル向上、ひいては、スレーブロボット操作の効率化および最適化が期待できる。
［特徴５］
透明性ではなく、本発明者が特許文献２において定義した「投射性」を規範とする制御であり、安定性とのトレードオフではなく、安定性とは独立に、必要とされる精度で投射性を実現することができる。
［特徴６］
スレーブロボットからマスタロボットに、力情報ではなく変位情報が逆送される制御であるため、スレーブロボットの接触安定性の問題は存在しない。
［特徴７］
操作者がマスタロボットにマスタ操作力ｆｍを加えなければ、マスタロボットからスレーブロボットへの接続は遮断される（バイラテラルでなくなり、ユニラテラルとなる）ので、スレーブロボットに加えられる外力−ｆｓのみによってシステムに不安定な挙動が励起される危険はない。
［特徴８］
スレーブロボットへの指令値が位置ではなく駆動力（力とトルク）なので、スレーブ制御則の実装が容易であり、制御系への負荷が小さい。また、駆動力制御ベースの制御なので、スレーブ制御則に駆動力制御ベースのあらゆる制御を重畳することができる。
［特徴９］
スレーブロボットの駆動力制御においてスレーブアクチュエータの出力が不足してスレーブ駆動力τｓが飽和した場合でも、マスタロボットを人力に対して強力な機構としておけば、マスタロボットの位置制御においてマスタアクチュエータの出力が飽和する可能性は低いので、マスタ変位とスレーブ変位とを十分な精度で一致させることができ、操作性は低下しない。
［特徴１０］
スレーブロボットが位置制御ではなく駆動力制御されるので、作業座標系での制御を適用しても特異点問題が生じず、スレーブロボットの姿勢が特異点近傍となっても制御が破綻することはない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】特許第５１０５４５０号公報
【特許文献２】特願２０１３−２３０８２０号（明細書）
【特許文献３】特願２０１３−１６９６６９号（明細書）
【非特許文献】
【００２０】
【非特許文献１】宮崎，萩原，“バイラテラル・マスタ・スレーブ・マニピュレータの並列型制御方式”，日本ロボット学会誌，ｖｏｌ．７，ｎｏ．５，ｐｐ．４４６−４５２，１９８９．
【非特許文献２】吉灘，“大形バイラテラルマニピュレータの研究”，東京工業大学博士学位論文，２０１２．
【非特許文献３】Ryo Kikuuwe, Satoshi Yasukouchi, Hideo Fujimoto, and Motoji Yamamoto," Proxy-Based Sliding Mode Control: A Safer Extension of PID Position Control," IEEE Transactions on Robotics, Vol.26, No.4, pp.670-683, 2010.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
以上のように、本発明者が特許文献１において提案した力順送型バイラテラル制御は、従来のバイラテラル制御にはない多くの利点を有しているが、その一方で解決を要する以下の問題Ａ〜Ｅを有している。
［問題Ａ］
マスタロボットの操作力センサが硬い環境へ接触したり、該操作力センサにイレギュラーな衝撃が加わったりすると、これらをきっかけとしてシステムに不安定な挙動が励起される危険（マスタロボットの接触安定性の問題）がある。
［問題Ｂ］
バイラテラル制御の安定性が考慮されていないので、安定性を確保するために、スレーブロボットからマスタロボットへの変位のスケール比Ｓｐ、およびマスタロボットからスレーブロボットへの力のスケール比Ｓｆを十分に大きくできない可能性がある。
［問題Ｃ］
操作者たる人間の感覚特性と、操作力センサおよび変位センサの実装における特性とが考慮されていないので、必ずしも人間の感覚特性に適合した制御設計になっているとはいえない。
［問題Ｄ］
作業座標系での制御において、マスタロボットの特異点およびその近傍において操作性が極端に低下する可能性がある。
［問題Ｅ］
スレーブロボットを構成するリンク機構の動的挙動（ダイナミクス）、および環境（作業対象）の動的挙動（ダイナミクス）を操作者が適切に感じるためには、スレーブロボットが高いバックドライバビリティを有している必要がある。
【００２２】
なお、スレーブロボットがバックドライバビリティを有していなくても、力順送型バイラテラル制御が破綻することはなく、バックドライバビリティが存在しないことをスレーブダイナミクスの一部として操作者が感じるだけである。しかしながら、スレーブロボットが高いバックドライバビリティを有していない場合、より詳しくは、バックドライバビリティが主にスレーブロボットの関節を構成するスレーブアクチュエータの内部の機構（減速機等）で失われた場合は、スレーブアクチュエータの外部に存在するスレーブロボットのダイナミクス、すなわち、リンク機構としてのダイナミクスや環境（作業対象）のダイナミクスを操作者が感じることは困難となる。そして、その結果、力順送型バイラテラル制御の上記特徴４が、部分的に、もしくは全面的に失われるという好ましくない結果を招く。
【００２３】
上記問題Ａ〜Ｅのうち、問題Ａ〜Ｃについては、本発明者が特許文献３において提案した手法により解決することができる。また、問題Ｄについては、本発明者が特許文献２において提案した手法により解決することができる。しかしながら、問題Ｅについては、未だ好適な解決手法は提案されていない。
【００２４】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、機構的構造によりスレーブロボットのバックドライバビリティが低いマスタスレーブシステムにおいて、スレーブロボットのバックドライバビリティを高くすることのできるマスタスレーブシステム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】
【００２５】
本発明者が特許文献１で提案した基本的な力順送型バイラテラル制御は、スレーブロボットが環境に加えるスレーブ作業力を計測する作業力センサを不要としたことを特徴の一つとしている。このような構成としたのは、少なからぬマスタスレーブシステムにおいては、スレーブロボットの作業端に作業力センサを実装することが困難であることによる。
【００２６】
しかしながら、全てのマスタスレーブシステムのスレーブロボットに力センサを一切実装できないというわけではなく、以下の理由（１）、（２）により、スレーブロボットの作業端ではない箇所に、多軸力センサではなく一軸力センサを実装することは必ずしも困難ではない。
（１）スレーブロボットの作業端が硬い環境へ接触する際、作業端はその衝撃を直接的に受けるが、作業端以外の箇所は、たとえその箇所と作業端が剛体リンクで繋がっていたとしても、実際には必ず存在するリンクの粘弾性によって、衝撃は緩和される。
（２）作業端に実装する多軸力センサは、その機構の複雑さのために繊細で高価だが、一軸力センサは、機構が単純であり、一般に多軸力センサよりも堅牢で安価である。現に、いわゆるロードセルやトルクセンサとして、劣悪環境においても使用できる一軸力センサが市販されている。
【００２７】
本発明者は、鋭意検討した結果発見した上記知見に基づき、上記課題を解決することができるマスタスレーブシステムを完成させた。
【００２８】
すなわち、本発明に係るマスタスレーブシステムは、
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、かつ前記マスタロボットから少なくとも体幹以外が機械的に独立して動作する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を位置制御するマスタ駆動力を発生させる少なくとも一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力制御するスレーブ駆動力を発生させる少なくとも一つのスレーブアクチュエータと、前記マスタロボットにおけるマスタ変位を計測する少なくとも一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計測する少なくとも一つのスレーブ変位センサと、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計測する少なくとも一つの操作力センサと、前記スレーブアクチュエータの最終出力軸に実際に作用しているスレーブ実駆動力を計測する少なくとも一つの実駆動力センサと、前記マスタ変位の目標値であるマスタ目標変位を前記スレーブ変位に基づいて演算により求めるマスタ目標変位演算装置と、前記スレーブ実駆動力の目標値であるスレーブ目標実駆動力を前記マスタ操作力に基づいて演算により求めるスレーブ目標実駆動力演算装置とを備え、
前記マスタアクチュエータが前記マスタ目標変位と前記マスタ変位とに基づいて前記マスタ駆動力を発生させる一方、前記スレーブアクチュエータが前記スレーブ目標実駆動力と前記スレーブ実駆動力とに基づいて前記スレーブ駆動力を発生させることで、（１）前記スレーブロボットが環境に加えるスレーブ作業力を前記バイラテラル制御のために計測するスレーブロボット作業端の作業力センサを不要とし、（２）前記操作者に前記マスタロボットのマスタダイナミクスと前記スレーブアクチュエータの内部のダイナミクスとを感じさせることなく、前記スレーブアクチュエータの外部のダイナミクスを感じさせるようにしたことを特徴としている。
【００２９】
上記マスタスレーブシステムの具体的一例としては、前記スレーブアクチュエータが、前記スレーブ駆動力を発生させる駆動源と、前記駆動源の出力軸に設けられた駆動力・負荷整合手段もしくは駆動力伝達手段とを含み、前記実駆動力センサが、前記最終出力軸である前記駆動力・負荷整合手段もしくは前記駆動力伝達手段の出力軸に設けられた、一軸の前記スレーブ実駆動力を計測し得る一軸力センサである構成が考えられる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、機構的構造によりスレーブロボットのバックドライバビリティが低いマスタスレーブシステムにおいて、スレーブロボットのバックドライバビリティを高くすることのできるマスタスレーブシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明に係る力順送型マスタスレーブシステムの概略図である。
【図２】本発明に係る力順送型マスタスレーブシステムの制御ブロック図である。
【図３】本発明に係る力順送型マスタスレーブシステムのスレーブロボットの詳細な制御ブロック図である。
【図４】本発明に係る力順送型マスタスレーブシステムのスレーブロボットの関節の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、図面を参照しながら本発明の実施例について説明する。
【００３３】
［実施例］
図１に示すように、本発明の実施例に係る力順送型マスタスレーブシステム（正確には、力順送型バイラテラル制御が適用された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ともに、以下の要領で互いに電気的に接続されたマスタアームＭを含むマスタロボットとスレーブアームＳを含むスレーブロボットとからなる。この力順送型マスタスレーブシステム１において、マスタアーム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。
【００３４】
マスタアームＭとスレーブアーム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を有するとともに、他端側が体幹Ｂの異なる位置に備えられている。また、マスタアームＭとスレーブアームＳは、それぞれ、２本のリンクを有するとともに、グリップＧまたは作業端ｄに接続される一端、体幹Ｂに接続される他端、およびリンク同士の接続部分に各１つの関節（一例として、回転関節）を有している。したがって、本実施例では、マスタアームＭとスレーブアームＳは、それぞれ３自由度を有している。
【００３５】
マスタアームＭの各関節には、マスタ変位センサＰｍ１〜３およびマスタアクチュエータＡｍ１〜３が備えられ、スレーブアームＳの各関節には、スレーブ変位センサＰｓ１〜３、スレーブアクチュエータＡｓ１〜３および実駆動力センサＦｓ１〜３が備えられている。また、グリップＧには、操作力センサＦｍが備えられている。さらに、図１に示すように、この力順送型マスタスレーブシステム１には、位置制御系ＰＣｍ、マスタ目標変位演算装置２、駆動力制御系ＦＣｓおよびスレーブ目標実駆動力演算装置３が備えられている。
【００３６】
なお、本明細書では、マスタアームＭ、マスタ変位センサＰｍ１〜３、マスタアクチュエータＡｍ１〜３、操作力センサＦｍ（グリップＧ）、および位置制御系ＰＣｍがマスタロボットに含まれ、スレーブアームＳ、スレーブ変位センサＰｓ１〜３、スレーブアクチュエータＡｓ１〜３、実駆動力センサＦｓ１〜３、および駆動力制御系ＦＣｓがスレーブロボットに含まれるものとする。また、本明細書では、位置制御系ＰＣｍとマスタアクチュエータＡｍ１〜３とを切り分けることなく、位置制御系ＰＣｍが一体化された「マスタアクチュエータ」として取り扱ったり、駆動力制御系ＦＣｓとスレーブアクチュエータＡｓ１〜３とを切り分けることなく、駆動力制御系ＦＣｓが一体化された「スレーブアクチュエータ」として取り扱ったりすることがある。
【００３７】
操作力センサＦｍはマスタアームＭに設けられ、操作者Ｕからのマスタ操作力ｆｍを計測する。マスタ変位センサＰｍ１〜３はマスタアームＭの各関節に設けられ、マスタ変位ｑｍおよびｘｍを計測する。スレーブ変位センサＰｓ１〜３はスレーブアームＳの各関節に設けられ、スレーブ変位ｑｓおよびｘｓを計測する。また、実駆動力センサＦｓ１〜３はスレーブアームＳの各関節に設けられ、後述するスレーブ実駆動力τｓａを計測する。
【００３８】
マスタ目標変位演算装置２は、計測されたスレーブ変位ｑｓおよびｘｓに基づきマスタ変位ｑｍおよびｘｍの目標値であるマスタ目標変位を演算により求める。また、スレーブ目標実駆動力演算装置３は、計測されたマスタ操作力ｆｍに基づきスレーブ実駆動力τｓａの目標値であるスレーブ目標実駆動力τｓａｄを演算により求める。
【００３９】
スレーブアクチュエータＡｓ１〜３は、スレーブアームＳの各関節に設けられ、スレーブ目標実駆動力τｓａｄおよびスレーブ実駆動力τｓａに基づき駆動力制御系ＦＣｓを通じてスレーブ駆動力τｓを発生させ、これによりスレーブアームＳが駆動力制御される。一方、マスタアクチュエータＡｍ１〜３は、マスタアームＭの各関節に設けられ、マスタ変位ｑｍおよびｘｍとマスタ目標変位とに基づきマスタ駆動力τｍを発生させ、これによりマスタアームＭが位置制御される。より詳しくは、マスタアクチュエータＡｍ１〜３は、マスタ変位センサＰｍ１〜３からの信号とマスタ目標変位演算装置２からの信号との偏差が０になるように位置制御系ＰＣｍを通じてマスタ駆動力τｍを発生させる。
【００４０】
このように、力順送型マスタスレーブシステム１では、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Ａｓ１〜３によってスレーブアームＳが駆動力制御される一方、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によってマスタアームＭが位置制御される。
【００４１】
図２は、この構成を制御ブロック図で表現したものである。図２のマスタロボットには、マスタアームＭ、マスタ変位センサＰｍ１〜３、マスタアクチュエータＡｍ１〜３、操作力センサＦｍ（グリップＧ）、および位置制御系ＰＣｍが含まれる。また、スレーブロボットには、スレーブアームＳ、スレーブ変位センサＰｓ１〜３、スレーブアクチュエータＡｓ１〜３、実駆動力センサＦｓ１〜３、および駆動力制御系ＦＣｓが含まれる。同図から明らかなように、本実施例に係る力順送型マスタスレーブシステム１では、操作者Ｕがマスタロボットに加えるマスタ操作力ｆｍを計測することで、マスタからスレーブへは力情報を順送し、スレーブからマスタへは変位情報を逆送する。
【００４２】
図４は、ｎ自由度（ただし、ｎは正整数）を有するスレーブアームＳのｉ−１番目（ただし、ｉ＝１，２，・・・，ｎ）のリンク１０と該リンク１０よりも作業端ｄ側に位置するｉ番目のリンク１１との間に設けられたｉ番目の関節の模式図である。同図に示すように、ｉ番目の関節のスレーブアクチュエータＡｓｉは、スレーブ駆動力τｓを発生させる駆動源１２と、その出力軸１４に設けられた減速機１３とを含んでいる。なお、図示されていないが、減速機１３の基部は、駆動源１２の基部と同様に、リンク１０に固定されているものとする。そして、減速機１３の出力軸、すなわちスレーブアクチュエータＡｓｉの最終出力軸１５は、リンク１０とリンク１１とで構成されたリンク機構の関節軸１６に直結されている。
【００４３】
この場合、式（２）で表されるスレーブロボットのダイナミクスは、減速機１３を含むスレーブアクチュエータＡｓｉ内部のダイナミクス（２１）と、スレーブアクチュエータＡｓｉ外部のダイナミクス（２２）とに分割される。
【数２１】
2015208829.tif 000023
【数２２】
2015208829.tif 000024
ｑｓａ（ｔ）は、ｉ−１番目のリンク１０を基準としたスレーブアクチュエータＡｓｉの変位（＝出力軸１４の変位）、ｑｓｌ（ｔ）は、同じくｉ−１番目のリンク１０を基準とした最終出力軸１５の変位（＝ｉ番目のリンク１１の関節軸１６の変位）、Ｍｓａは、スレーブアクチュエータＡｓｉの慣性行列、Ｍｓｌは、スレーブアームＳのリンク機構の慣性行列、ｒｓａおよびｒｓｌは、慣性以外の効果を集約した剰余項である。また、ＪｓａおよびＪｓｌはヤコビ行列であり、Ｊｓと以下の関係がある。
【数２３】
2015208829.tif 000025
なお、剰余項ｒｓａは、独立変数を明示するとｒｓａ（ｑ・ｓａ，ｑｓａ，ｑ・ｓｌ，ｑｓｌ）となり、剰余項ｒｓｌは、独立変数を明示するとｒｓｌ（ｑ・ｓｌ，ｑｓｌ）となる。ただし、スレーブアクチュエータＡｓｉの構成によっては、剰余項ｒｓａおよびｒｓｌは、上記独立変数の一部のみに依存し、他には依存しないことがある点に注意が必要である。
【００４４】
スレーブアクチュエータＡｓｉの最終出力軸１５とリンク機構の関節軸１６とが直結された図４に示す構成においては、スレーブアクチュエータＡｓｉ内部のダイナミクスと外部のダイナミクスは、最終出力軸１５の駆動力によって結合される。この駆動力を、本発明ではスレーブ実駆動力τｓａと呼ぶことにする。スレーブ駆動力τｓが、スレーブアクチュエータＡｓｉ内部の駆動源１２が発生する駆動力であるのに対し、スレーブ実駆動力τｓａは、スレーブ駆動力τｓからスレーブアクチュエータＡｓｉ内部の減速機１３のダイナミクスによる損失を差し引いた、スレーブアクチュエータＡｓｉ外部に実際に取り出される駆動力である。
【００４５】
スレーブ実駆動力τｓａは、スレーブアクチュエータＡｓｉの最終出力軸１５に実駆動力センサＦｓｉとしての一軸力センサを配置することで、精度良く計測することができる。図１に示すように、スレーブアームＳが３自由度を有している場合、３つの関節のそれぞれに一軸力センサが配置される。言い換えると、本実施例に係る力順送型マスタスレーブシステム１では、関節の数と同数の一軸力センサからなるセンサ群がスレーブアームＳに配置される。
【００４６】
本実施例に係る力順送型マスタスレーブシステム１では、例えばスレーブ制御則（２４）、（２５）を用いる。これは、式（１９）のスレーブ制御則に実駆動力誤差サーボを追加したものである。
【数２４】
2015208829.tif 000026
【数２５】
2015208829.tif 000027
一方、マスタ制御則は式（１８）と同じである。以下、本明細書では、スレーブ制御則（２４）、（２５）とマスタ制御則（１８）とによる力順送型バイラテラル制御を、特に「力順送サーボ型バイラテラル制御」と呼ぶ。
【００４７】
スレーブアクチュエータＡｓｉ内部のダイナミクス（２１）、スレーブアクチュエータＡｓｉ外部のダイナミクス（２２）、およびスレーブ制御則（２４）、（２５）から、次式が得られる。
【数２６】
2015208829.tif 000028
そして、式（２６）において力制御ゲインＫｆを十分大きくすれば、次式が得られる。
【数２７】
2015208829.tif 000029
式（２７）は、実駆動力センサＦｓｉを設けることによって、操作者Ｕに、スレーブアクチュエータＡｓｉ内部のダイナミクス（２１）を感じさせることなく、スレーブアクチュエータＡｓｉ外部のダイナミクス（２２）のみをＳｆ-1倍で感じさせることができることを示している。
【００４８】
なお、式（２６）において力制御ゲインＫｆ＝０とすれば、次式が得られる。
【数２８】
2015208829.tif 000030
式（２８）は、本発明者が特許文献１において提案した力順送型バイラテラル制御の基本構成における式（２０）と同じである。すなわち、式（２４）および（２５）からも理解されるように、力順送サーボ型バイラテラル制御は、力制御ゲインＫｆ＝０とすれば、力順送型バイラテラル制御の基本構成に帰着する。
【００４９】
力制御ゲインＫｆを大きくするにつれてバイラテラル制御の安定性は損なわれる。このため、実際には、マスタ操作力ｆｍにおけるスレーブアクチュエータＡｓｉ内部のダイナミクス（２１）の影響を、式（２７）のように完全に消すことは難しい。しかしながら、スレーブアクチュエータＡｓｉ内部のダイナミクス（２１）の影響を完全に消すことはできなくても、影響を小さくすることができれば有益である。つまり、力順送サーボ型バイラテラル制御では、安定性を確保できる範囲内で力制御ゲインＫｆをできるだけ大きくすることで、スレーブアクチュエータＡｓｉ内部の慣性および摩擦を低減することができる。言い換えると、力順送サーボ型バイラテラル制御では、安定性を確保できる範囲内で力制御ゲインＫｆをできるだけ大きくすることで、バックドライバブルではないスレーブロボットを、バックドライバブルなものにすることができる。
【００５０】
ここで、特許文献２において、本発明者は、理想的な投射性が実現されている状態、すなわち「外骨格投射」を以下のように定義した。
【数２９】
2015208829.tif 000031
【数３０】
2015208829.tif 000032
力順送サーボ型バイラテラル制御では、式（３０）を次式のように修正すれば、スレーブアクチュエータＡｓｉ内部のダイナミクスをキャンセルして操作性の向上を図ることができるとの考えに基づき、上記スレーブ制御則（２４）、（２５）を使用している。
【数３１】
2015208829.tif 000033
そして、力順送サーボ型バイラテラル制御では、スレーブ制御則（２４）、（２５）とスレーブアクチュエータＡｓｉ内部のダイナミクス（２１）とから得た次式の投射性が実現される。
【数３２】
2015208829.tif 000034
力制御ゲインＫｆ→∞とすると、式（３２）は式（３１）に等しくなる。一方、力制御ゲインＫｆ＝０とすると、式（３２）は式（３０）に等しくなる。つまり、力順送サーボ型バイラテラル制御によれば、力制御ゲインＫｆを０と∞の間で調節することで、式（３０）で表された外骨格投射と式（３１）で表された外骨格投射の中間の投射性を実現することができる。
【００５１】
本実施例に係る力順送型（力順送サーボ型）マスタスレーブシステム１のスレーブ側の構成を整理すると、以下の通りとなる。
スレーブ目標実駆動力演算装置は、図２および式（２５）に示すように、スレーブ実駆動力τｓａの目標値であるスレーブ目標実駆動力τｓａｄをマスタ操作力ｆｍに基づいて演算により求める。
スレーブロボットの駆動力制御系は、図３および式（２４）に示すように、スレーブ実駆動力τｓａとスレーブ目標実駆動力τｓａｄとに基づいてスレーブアクチュエータにスレーブ駆動力τｓを発生させる。
実駆動力センサは、図３に示すように、スレーブアクチュエータ内部のダイナミクス（式（２１）に相当）とスレーブアクチュエータ外部のダイナミクス（式（２２）に相当）とを結合するスレーブ実駆動力τｓａを測定する。
【００５２】
［比較例１］
続いて、作業力センサで測定したスレーブ作業力ｆｓの代わりに実駆動力センサで測定したスレーブ実駆動力τｓａをマスタ駆動力へ反射させる、比較例１に係る力逆送型バイラテラル制御と本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御とを比較する。
【００５３】
比較例１に係る力逆送型バイラテラル制御では、マスタ制御則は次式の通りとなる。なお、スレーブ制御則は式（６）と同じである。
【数３３】
2015208829.tif 000035
マスタダイナミクス（１）、スレーブアクチュエータ外部のダイナミクス（２２）、およびマスタ制御則（３３）から、次式が得られる。
【数３４】
2015208829.tif 000036
本比較例に係る力逆送型バイラテラル制御でも、マスタ操作力ｆｍにマスタダイナミクスの影響が等倍で加わるとともに、スレーブ作業力ｆｓがＳｆ-1倍で加わる。そして、マスタ操作力ｆｍには、さらにスレーブダイナミクスの影響もＳｆ-1倍で加わる。
【００５４】
本比較例に係る力逆送型バイラテラル制御では、本発明者が特許文献１において提案した力順送型バイラテラル制御の基本構成と同様、操作者Ｕがスレーブダイナミクスを感じることができるので、上記特徴４の作用効果が得られる。これに関し、非特許文献２には、本比較例に係る力逆送型バイラテラル制御に類似した手法を用いてスレーブダイナミクスの慣性力を操作者Ｕに提示することで、パワー増幅マスタスレーブシステムの操作性が向上したことが指摘されている。
【００５５】
しかしながら、本比較例に係る力逆送型バイラテラル制御では、上記の通り、操作者Ｕは依然としてマスタダイナミクスの影響も感じることになる。このため、本比較例に係る力逆送型バイラテラル制御では、従来のバイラテラル制御が抱えていた問題１および４は解決されるが、問題２、３、７〜１０は解決されない。また、本比較例に係る力逆送型バイラテラル制御は、マスタ制御則（３３）でヤコビ行列Ｊｓｌ−Ｔが使われているため、スレーブロボットの姿勢が特異点近傍となったときに、マスタ制御則（３３）が駆動力制御であるにもかかわらず破綻する可能性がある。
【００５６】
［比較例２］
次に、作業力センサで測定したスレーブ作業力ｆｓの代わりに実駆動力センサで測定したスレーブ実駆動力τｓａをマスタ駆動力へ反射させつつ、操作力センサで測定したマスタ操作力ｆｍによってマスタ側で力誤差サーボを構成した、比較例２に係る力帰還型バイラテラル制御と本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御とを比較する。
【００５７】
比較例２に係る力帰還型バイラテラル制御では、マスタ制御則は次式の通りとなる。なお、スレーブ制御則は式（６）と同じである。
【数３５】
2015208829.tif 000037
マスタダイナミクス（１）、スレーブアクチュエータ外部のダイナミクス（２２）、およびマスタ制御則（３５）から、次式が得られる。
【数３６】
2015208829.tif 000038
そして、上式において力制御ゲインＫｆを十分に大きくすれば、次式が得られる。
【数３７】
2015208829.tif 000039
式（３７）は、本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御における式（２７）と全く同じである。したがって、本比較例に係る力帰還型バイラテラル制御によれば、本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御と同様に、理想的には外骨格投射を実現することができる。
【００５８】
しかしながら、力制御ゲインＫｆを大きくするとバイラテラル制御の安定性は損なわれる。このため、実際には、力制御ゲインＫｆを∞にすることはできない。力制御ゲインＫｆが∞ではない場合、本比較例に係る力帰還型バイラテラル制御では、マスタ操作力ｆｍがマスタダイナミクス（式（３６）の右辺第１項）の影響を受けるのに対し、本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御では、マスタ操作力ｆｍがスレーブアクチュエータ内部のダイナミクス（式（２６）の右辺第１項）の影響を受ける。
【００５９】
このように、力制御ゲインＫｆを∞から小さくしていくと、本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御および本比較例に係る力帰還型バイラテラル制御の投射性は、いずれも式（３１）で表された外骨格投射から外れていく。ただし、前者が、式（３１）で表された外骨格投射から式（３０）で表された外骨格投射へ移っていくのに対し、後者は、式（３０）で表された外骨格投射からも式（３１）で表された外骨格投射からも外れ、外骨格と見做すべきスレーブロボットでなく、外骨格と見做すべきでない操作装置にすぎないマスタロボットへの影響を強めていく。そのため、後者よりも前者の方が、投射性の観点からは操作性を高く維持できることが期待される。
【００６０】
結局、本比較例に係る力帰還型バイラテラル制御では、従来のバイラテラル制御が抱えていた問題１および４は解決されるが、問題３、５、７〜１０は解決されない。また、本比較例に係る力帰還型バイラテラル制御は、マスタ制御則（３５）でヤコビ行列Ｊｓｌ−Ｔが使われているため、スレーブロボットの姿勢が特異点近傍となったときに、マスタ制御則（３５）が駆動力制御であるにもかかわらず破綻する可能性がある。
【００６１】
［操作者がマスタロボットを操作しない場合の比較］
操作者Ｕがマスタロボットを操作しない場合、すなわちマスタ操作力ｆｍ＝０の場合、マスタスレーブシステムは外力−ｆｓのみによって駆動される。式（３４）より、比較例１に係る力逆送型バイラテラル制御では、外力−ｆｓは次式で表される。
【数３８】
2015208829.tif 000040
また、式（３６）より、比較例２に係る力帰還型バイラテラル制御では、外力−ｆｓは次式で表される。
【数３９】
2015208829.tif 000041
式（３８）および式（３９）は、比較例１および比較例２に係るバイラテラル制御では、スレーブ実駆動力τｓａを利用しない場合と同様に、スレーブロボットが外力−ｆｓを受けると操作装置にすぎないマスタロボット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することを示している。
【００６２】
一方、本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御では、外力−ｆｓは次式で表される。
【数４０】
2015208829.tif 000042
式（４０）は、本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御では、スレーブロボットが外力−ｆｓを受けたときに、マスタスレーブシステムがマスタロボットのダイナミクスの影響を受けないことを示している。すなわち、上式は、操作者Ｕがマスタロボットにマスタ操作力ｆｍを加えなければ、マスタロボットからスレーブロボットへの接続は自動的に遮断され、マスタスレーブシステムが力制御ゲインＫｆに関係なくユニラテラルとなることを示している。
【００６３】
なお、式（４０）は、スレーブ実駆動力τｓａを利用しない力順送型バイラテラル制御の基本構成とは異なり、過大な外力−ｆｓが加えられると、力制御ゲインＫｆの設定によってはスレーブアクチュエータ内部のダイナミクスが大きく動かされる可能性があることも示している。これは、本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御では、基本構成では存在しなかったスレーブロボットの接触安定性の問題が存在することを意味する。このため、本発明に係る力順送サーボ型バイラテラル制御においては、スレーブ制御則（２４）の安定性に留意して、力制御ゲインＫｆを調節する必要がある。ただし、この問題は、スレーブロボット単体での力制御の安定性の問題にすぎないので、バイラテラルループを介した力制御が不安定となり得る力逆送型バイラテラル制御および力帰還型バイラテラル制御における接触安定性の問題よりも解決は容易である。
【００６４】
［注意事項］
本明細書では、便宜上、マスタロボット、スレーブロボットという表現を使用したが、必ずしも本発明はいわゆるロボットらしいロボットへの適用のみに限られない。マスタスレーブシステムおよびバイラテラル制御には広範な応用が期待されており、あらゆる電気式マスタスレーブシステムに本発明は適用することができる。例えばＸ−ｂｙ−Ｗｉｒｅシステム（バイワイヤシステム）と呼ばれるものは、全て電気式マスタスレーブシステムである。したがって、マスタスレーブロボットシステムのみならず、自動車、航空機、船舶、その他あらゆる操縦型機械のＸ−ｂｙ−Ｗｉｒｅシステムにおいてバイラテラル制御を使用する場合に、本発明をそのまま適用することができる。
【００６５】
本明細書中の「変位」および「位置」は一般化変位を意味し、並進・回転の位置姿勢を含むものとする。同じく「力」は一般化力を意味し、並進力・回転力（トルク）を含むものとする。
【００６６】
本発明における「スレーブアクチュエータ」は、駆動力を発生する電磁モータ、油圧源、空圧源等の狭義のアクチュエータに限定されない。本発明では、「スレーブアクチュエータ」は、減速機、油圧シリンダ、空圧シリンダ等の、駆動力と負荷とのインピーダンス整合を図る機械的手段（駆動力・負荷整合手段）、あるいは、歯車、タイミングベルト、チェーン等の駆動力伝達手段を内部ダイナミクスとして含む広義のアクチュエータユニット全体を意味する。
【００６７】
本発明における「最終出力軸」は、隣接するリンクまたは作業端に直接的に接続されるあらゆる軸を意味し、図４に示すような回転軸に限定されない。
【００６８】
本発明における「操作力センサ」および「実駆動力センサ」は、ハードウェアとしての力センサでなくてもよく、電磁アクチュエータの電流や油空圧アクチュエータの圧力から操作力を推定する手段や、変位センサの信号等からオブザーバ等によって操作力を推定する手段であってもよい。
【００６９】
本発明における「実駆動力センサ」は、説明の便宜上、アクチュエータ最終出力軸に取り付けられているとしたが、実装においては、アクチュエータに内蔵された一体型の力（トルク）センサであってもよい。
【００７０】
各バイラテラル制御における具体的な制御則は説明のための簡単な例であり、制御目的を変えなければ、より高度な制御則を用いることができる。例えば、マスタ制御則（１８）では位置制御手法として比例制御を用いたが、もちろんＰＩＤ制御や、ＰＩＤ制御を拡張したProxy-based Sliding Mode制御（非特許文献３参照）のような高度な制御手法を用いることもできる。同様に、スレーブ制御則（２４）、（２５）においても、スレーブ実駆動力τｓａをスレーブ目標実駆動力τｓａｄに近づける任意の制御手法を用いることができる。
【００７１】
スレーブ制御則（２４）、（２５）に、駆動力制御ベースのあらゆる制御を重畳することができる。特に、スレーブ制御則（２５）に他の制御を重畳した場合は、スレーブアクチュエータ内部の慣性および摩擦が低減されてバックドライバブルとなったスレーブロボットに対して、重畳した制御が適用されることになり有益である。
【００７２】
力順送型バイラテラル制御では、操作結果が変位情報によって提示されるため、直流を下限、数百Ｈｚから１ｋＨｚ程度を上限とする広い周波数帯域を使って操作結果の提示がなされる。この操作結果の提示は、必ずしも一種類のアクチュエータで行う必要はなく、例えば、提示できる周波数帯域の異なる複数のアクチュエータで分担して提示してもよい。複数のアクチュエータの組み合わせとしては、例えば、大モータと小モータの組み合わせ（いわゆるマクロ・マイクロシステム）や、あるいは低周波帯域を担うモータと高周波帯域を担う振動子またはスピーカまたはボイスコイルモータ等の組み合わせが考えられる。
【符号の説明】
【００７３】
１      マスタスレーブシステム
２      マスタ目標変位演算装置
３      スレーブ目標実駆動力演算装置
Ｍ      マスタアーム
Ｓ      スレーブアーム
Ｆｍ    操作力センサ
ＦＣｓ    駆動力制御系
ＰＣｍ    位置制御系
Ａｍ１〜３    マスタアクチュエータ
Ａｓ１〜３    スレーブアクチュエータ
Ｐｍ１〜３    マスタ変位センサ
Ｐｓ１〜３    スレーブ変位センサ
Ｆｓ１〜３    スレーブ実駆動力センサ
【図１】
2015208829.tif 000043
【図２】
2015208829.tif 000044
【図３】
2015208829.tif 000045
【図４】
2015208829.tif 000046