JP6547164B2 - マスタスレーブシステム - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

ｆ_ｍ（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、ｆ_ｓ（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、ｑ_ｍ（ｔ）、ｑ_ｓ（ｔ）は関節変位、τ_ｍ（ｔ）、τ_ｓ（ｔ）は関節駆動力、Ｍ_ｍ（ｑ_ｍ）、Ｍ_ｓ（ｑ_ｓ）は慣性行列、ｒ_ｍ（ｑ^・ _ｍ，ｑ_ｍ）、ｒ_ｓ（ｑ^・ _ｓ，ｑ_ｓ）は慣性以外の効果を集約した剰余項である。Ｊ_ｍ（ｑ_ｍ）、Ｊ_ｓ（ｑ_ｓ）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。

ｘ_ｍ（ｔ）、ｘ_ｓ（ｔ）は、それぞれｑ_ｍ（ｔ）、ｑ_ｓ（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。

［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。

Ｋ_ｐは位置制御ゲインである。また、Ｓ_ｆ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、Ｓ_ｐ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。

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。

このように、対称型バイラテラル制御では、マスタ操作力ｆ_ｍ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ｆ_ｓがＳ_ｆ ^-1倍で加わる。

［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ｆ_ｓを計測する作業力センサを配置し、スレーブ作業力ｆ_ｓ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。

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。

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ｆ_ｍ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ｆ_ｓがＳ_ｆ ^-1倍で加わる。一方、マスタ操作力ｆ_ｍは、スレーブダイナミクスの影響を受けない。

［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ｆ_ｍ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ｆ_ｓ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。

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、Ｋ_ｆ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。

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。

そして、上式において力制御ゲインＫ_ｆを十分に大きくすれば、次式が得られる。

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Ｋ_ｆを十分に大きくすることで、マスタ操作力ｆ_ｍ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ｆ_ｍにはスレーブ作業力ｆ_ｓのみがＳ_ｆ ^-1倍で加わる。ただし、実装上は力制御ゲインＫ_ｆ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ｆ_ｍ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。

［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ｆ_ｍ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ｆ_ｓ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。

なお、ｘ_ｄ（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。

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。

そして、上式において力制御ゲインＫ_ｆを十分に大きくすれば、次式が得られる。

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ｆ_ｍ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ｆ_ｍ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Ｋ_ｆ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Ｋ_ｆ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。

［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ｆ_ｓ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ｆ_ｍ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ｆ_ｍ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Ｋ_ｆ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−ｆ_ｓ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τ_ｓ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。

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ｆ_ｍ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ｆ_ｍをスレーブ駆動力τ_ｓ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。

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。

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ｆ_ｍにスレーブダイナミクスの影響とスレーブ作業力ｆ_ｓがＳ_ｆ ^-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ｆ_ｓ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ｆ_ｍ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。

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ｆ_ｓ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ｆ_ｍ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ｆ_ｍ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ｆ_ｍ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ｆ_ｍ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−ｆ_ｓ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τ_ｓ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。

特許第５１０５４５０号公報 特願２０１３−２３０８２０号（明細書） 特願２０１３−１６９６６９号（明細書）

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． 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． 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.

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Ｓ_ｐ、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Ｓ_ｆ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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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各々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、
前記操作力センサは、前記操作者から見て前記マスタアクチュエータよりも手前に設けられており、
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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。

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。

［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。

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。

マスタアームＭの各関節には、マスタ変位センサＰｍ_１〜３およびマスタアクチュエータＡｍ_１〜３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Ｐｓ_１〜３、スレーブアクチュエータＡｓ_１〜３および実駆動力センサＦｓ_１〜３が備えられている。また、グリップＧには、操作力センサＦ_ｍ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ＰＣ_ｍ、マスタ目標変位演算装置２、駆動力制御系ＦＣ_ｓ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。

なお、本明細書では、マスタアームＭ、マスタ変位センサＰｍ_１〜３、マスタアクチュエータＡｍ_１〜３、操作力センサＦ_ｍ（グリップＧ）、および位置制御系ＰＣ_ｍ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Ｐｓ_１〜３、スレーブアクチュエータＡｓ_１〜３、実駆動力センサＦｓ_１〜３、および駆動力制御系ＦＣ_ｓ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ＰＣ_ｍとマスタアクチュエータＡｍ_１〜３とを切り分けることなく、位置制御系ＰＣ_ｍ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ＦＣ_ｓとスレーブアクチュエータＡｓ_１〜３とを切り分けることなく、駆動力制御系ＦＣ_ｓ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。

操作力センサＦ_ｍ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ｆ_ｍを計測する。マスタ変位センサＰｍ_１〜３はマスタアームＭの各関節に設けられ、マスタ変位ｑ_ｍおよびｘ_ｍを計測する。スレーブ変位センサＰｓ_１〜３はスレーブアームＳの各関節に設けられ、スレーブ変位ｑ_ｓおよびｘ_ｓを計測する。また、実駆動力センサＦｓ_１〜３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τ_ｓａを計測する。

マスタ目標変位演算装置２は、計測されたスレーブ変位ｑ_ｓおよびｘ_ｓに基づきマスタ変位ｑ_ｍおよびｘ_ｍ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ｆ_ｍに基づきスレーブ実駆動力τ_ｓａの目標値であるスレーブ目標実駆動力τ_ｓａｄを演算により求める。

スレーブアクチュエータＡｓ_１〜３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τ_ｓａｄおよびスレーブ実駆動力τ_ｓａに基づき駆動力制御系ＦＣ_ｓを通じてスレーブ駆動力τ_ｓ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Ａｍ_１〜３は、マスタアームＭの各関節に設けられ、マスタ変位ｑ_ｍおよびｘ_ｍとマスタ目標変位とに基づきマスタ駆動力τ_ｍ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Ａｍ_１〜３は、マスタ変位センサＰｍ_１〜３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ＰＣ_ｍを通じてマスタ駆動力τ_ｍを発生させる。

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τ_ｓを発生させるスレーブアクチュエータＡｓ_１〜３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τ_ｍを発生させるマスタアクチュエータＡｍ_１〜３によってマスタアームＭが位置制御される。

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Ｐｍ_１〜３、マスタアクチュエータＡｍ_１〜３、操作力センサＦ_ｍ（グリップＧ）、および位置制御系ＰＣ_ｍ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Ｐｓ_１〜３、スレーブアクチュエータＡｓ_１〜３、実駆動力センサＦｓ_１〜３、および駆動力制御系ＦＣ_ｓ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ｆ_ｍ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。

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Ａｓ_ｉは、スレーブ駆動力τ_ｓ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Ａｓ_ｉ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。

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Ａｓ_ｉ内部のダイナミクス（２１）と、スレーブアクチュエータＡｓ_ｉ外部のダイナミクス（２２）とに分割される。

ｑ_ｓａ（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Ａｓ_ｉの変位（＝出力軸１４の変位）、ｑ_ｓｌ（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）、Ｍ_ｓａは、スレーブアクチュエータＡｓ_ｉの慣性行列、Ｍ_ｓｌは、スレーブアームＳのリンク機構の慣性行列、ｒ_ｓａおよびｒ_ｓｌは、慣性以外の効果を集約した剰余項である。また、Ｊ_ｓａおよびＪ_ｓｌはヤコビ行列であり、Ｊ_ｓと以下の関係がある。

なお、剰余項ｒ_ｓａは、独立変数を明示するとｒ_ｓａ（ｑ^・ _ｓａ，ｑ_ｓａ，ｑ^・ _ｓｌ，ｑ_ｓｌ）となり、剰余項ｒ_ｓｌは、独立変数を明示するとｒ_ｓｌ（ｑ^・ _ｓｌ，ｑ_ｓｌ）となる。ただし、スレーブアクチュエータＡｓ_ｉの構成によっては、剰余項ｒ_ｓａおよびｒ_ｓｌ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。

スレーブアクチュエータＡｓ_ｉ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Ａｓ_ｉ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τ_ｓａと呼ぶことにする。スレーブ駆動力τ_ｓが、スレーブアクチュエータＡｓ_ｉ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τ_ｓａは、スレーブ駆動力τ_ｓからスレーブアクチュエータＡｓ_ｉ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Ａｓ_ｉ外部に実際に取り出される駆動力である。

スレーブ実駆動力τ_ｓａは、スレーブアクチュエータＡｓ_ｉの最終出力軸１５に実駆動力センサＦｓ_ｉ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。

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。

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。

スレーブアクチュエータＡｓ_ｉ内部のダイナミクス（２１）、スレーブアクチュエータＡｓ_ｉ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。

そして、式（２６）において力制御ゲインＫ_ｆを十分大きくすれば、次式が得られる。

式（２７）は、実駆動力センサＦｓ_ｉ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Ａｓ_ｉ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Ａｓ_ｉ外部のダイナミクス（２２）のみをＳ_ｆ ^-1倍で感じさせることができることを示している。

なお、式（２６）において力制御ゲインＫ_ｆ＝０とすれば、次式が得られる。

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Ｋ_ｆ＝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。

力制御ゲインＫ_ｆ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ｆ_ｍにおけるスレーブアクチュエータＡｓ_ｉ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Ａｓ_ｉ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Ｋ_ｆ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Ａｓ_ｉ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Ｋ_ｆ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。

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。

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Ａｓ_ｉ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。

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Ａｓ_ｉ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。

力制御ゲインＫ_ｆ→∞とすると、式（３２）は式（３１）に等しくなる。一方、力制御ゲインＫ_ｆ＝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Ｋ_ｆ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。

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τ_ｓａの目標値であるスレーブ目標実駆動力τ_ｓａｄをマスタ操作力ｆ_ｍ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τ_ｓａとスレーブ目標実駆動力τ_ｓａｄ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τ_ｓ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τ_ｓａを測定する。

［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ｆ_ｓ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τ_ｓａ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。

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。

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。

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ｆ_ｍ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ｆ_ｓがＳ_ｆ ^-1倍で加わる。そして、マスタ操作力ｆ_ｍには、さらにスレーブダイナミクスの影響もＳ_ｆ ^-1倍で加わる。

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。

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Ｊ_ｓｌ ^−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。

［比較例２］
次に、作業力センサで測定したスレーブ作業力ｆ_ｓ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τ_ｓａ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ｆ_ｍ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。

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。

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。

そして、上式において力制御ゲインＫ_ｆを十分に大きくすれば、次式が得られる。

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。

しかしながら、力制御ゲインＫ_ｆ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Ｋ_ｆを∞にすることはできない。力制御ゲインＫ_ｆ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ｆ_ｍ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ｆ_ｍ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。

このように、力制御ゲインＫ_ｆ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。

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Ｊ_ｓｌ ^−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。

［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ｆ_ｍ＝０の場合、マスタスレーブシステムは外力−ｆ_ｓ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−ｆ_ｓは次式で表される。

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−ｆ_ｓは次式で表される。

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τ_ｓａを利用しない場合と同様に、スレーブロボットが外力−ｆ_ｓ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。

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−ｆ_ｓは次式で表される。

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−ｆ_ｓ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ｆ_ｍ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Ｋ_ｆに関係なくユニラテラルとなることを示している。

なお、式（４０）は、スレーブ実駆動力τ_ｓａ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−ｆ_ｓが加えられると、力制御ゲインＫ_ｆ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Ｋ_ｆ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。

［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。

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。

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。

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。

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。

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。

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τ_ｓａをスレーブ目標実駆動力τ_ｓａｄに近づける任意の制御手法を用いることができる。

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。

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。

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
Ｆ_ｍ 操作力センサ
ＦＣ_ｓ 駆動力制御系
ＰＣ_ｍ 位置制御系
Ａｍ_１〜３ マスタアクチュエータ
Ａｓ_１〜３ スレーブアクチュエータ
Ｐｍ_１〜３ マスタ変位センサ
Ｐｓ_１〜３ スレーブ変位センサ
Ｆｓ_１〜３ スレーブ実駆動力センサ

Claims (2)

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各々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、
   前記操作力センサは、前記操作者から見て前記マスタアクチュエータよりも手前に設けられており、
   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。
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。

Images