JP3305050B2 - Space robot controller - Google Patents

Space robot controller

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JP3305050B2
JP3305050B2 JP18149193A JP18149193A JP3305050B2 JP 3305050 B2 JP3305050 B2 JP 3305050B2 JP 18149193 A JP18149193 A JP 18149193A JP 18149193 A JP18149193 A JP 18149193A JP 3305050 B2 JP3305050 B2 JP 3305050B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は宇宙ロボット制御装置に
係り、特に、ロボット本体と、ロボット本体から延設さ
れたマニピュレータと、ロボット本体を制御するための
ロボット本体制御用アクチュエータとを備える宇宙ロボ
ットを制御するための宇宙ロボット制御装置関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a space robot controller, and more particularly to a space robot having a robot body, a manipulator extended from the robot body, and a robot body control actuator for controlling the robot body. Related to a space robot controller for controlling a robot.

【0002】[0002]

【従来の技術】将来の宇宙活動では、軌道上の大型構造
物の組立・保守、宇宙ステーションや無人のプラットフ
ォームへの物質の補給、材料科学・生命科学等の各種宇
宙実験の実施、故障した人口衛星の回収・修理、月や火
星などへの有人探査の先駆けとしての無人探査等の各種
の作業が必要となってくる。これらの作業の中には、宇
宙飛行士により行われるのが適切なものも含まれるが、
宇宙飛行士の能力の合理的活用、必要コスト等を考慮す
ると、軌道上作業の一部でもロボットに行わせることが
望まれている。
2. Description of the Related Art In future space activities, assembling and maintaining large structures in orbit, supplying materials to space stations and unmanned platforms, conducting various space experiments such as materials science and life science, Various operations such as recovery and repair of satellites and unmanned exploration as a precursor to manned exploration of the moon and Mars are required. Some of these tasks are appropriate to be performed by astronauts,
In consideration of rational utilization of astronaut's ability, necessary cost, and the like, it is desired that a robot perform a part of on-orbit work.

【0003】宇宙ロボットとしては、宇宙ステーション
FREEDOMの日本実験モジュールに設置されるJE
MRMSのように宇宙ステーションに設置される大型の
マニピュレータの他に、スラスタ等の推進装置およびフ
ライホイール等の姿勢制御装置を有し目標個所まで移動
する機能を有するとともに搭載されているマニピュレー
タにより各種作業を行うことのできる自由飛行型の宇宙
ロボットが提案されている。技術試験衛生VII型は、
1997年に打ち上げ予定の技術試験衛星であり、自由
飛行型の宇宙ロボットとなっている。
[0003] As a space robot, JE installed in the Japanese Experiment Module of the space station FREEDOM
In addition to a large manipulator installed at the space station like MRMS, it has a propulsion device such as a thruster and an attitude control device such as a flywheel and has a function to move to the target location and performs various tasks with the mounted manipulator A free-flying space robot capable of performing the following has been proposed. Technical test hygiene type VII
It is a technology test satellite scheduled to be launched in 1997, and is a free-flying space robot.

【0004】自由飛行型の宇宙ロボットは移動機能を有
するために宇宙ステーションと無人のプラットフォーム
間の運搬作業や宇宙ステーションのまわりの保守・点検
作業などさまざまな作業を行うことが期待されている。
[0004] Since a free-flying space robot has a moving function, it is expected to perform various tasks such as carrying work between the space station and an unmanned platform, and maintenance and inspection work around the space station.

【0005】しかし、自由飛行型の宇宙ロボットでは、
ロボットが無重力の宇宙空間に浮游した状態となるため
に、搭載マニピュレータを動かしたときにその反動の、
力およびトルク(以下、力/トルクと表す。)とにより
ロボット本体の姿勢変動を引き起こすという問題が生じ
る。作業前のロボット本体の位置・姿勢の値をもとにマ
ニピュレータ先端が目標物を把持するようにマニピュレ
ータの目標軌道を生成した場合、マニピュレータの運動
に伴う反動によりロボット本体の姿勢変動が生じればマ
ニピュレータ先端は目標物とは違う位置に位置決めされ
てしまい、目標とする作業を遂行することができない。
マニピュレータの運動に伴いロボット本体の姿勢変動の
問題を解決するために、さまざまな研究が行われてい
る。
However, in a free-flying space robot,
When the onboard manipulator is moved, the robot is suspended in the weightless space,
A problem arises in that the posture of the robot main body is changed by the force and the torque (hereinafter, referred to as force / torque). If the target trajectory of the manipulator is generated so that the tip of the manipulator grasps the target based on the values of the position and posture of the robot body before the work, if the posture fluctuation of the robot body occurs due to the recoil accompanying the manipulator movement The tip of the manipulator is positioned at a position different from the target, so that the target operation cannot be performed.
Various researches have been conducted to solve the problem of the posture change of the robot body accompanying the movement of the manipulator.

【0006】例えば、日本ロボット学界誌、VOL.
7、No.6に記載の「自由浮游する宇宙用テレロボッ
ト・モデルによる対象物の捕捉制御実験」では、宇宙ロ
ボット本体の推進装置・姿勢制御装置を使用しなければ
搭載マニピュレータを含む宇宙ロボット全体の運動量・
角運動量が保存されることを利用し、ロボット本体とマ
ニピュレータの関節速度とマニピュレータ先端における
速度との間の関係を規定する一般化ヤコビ行列を導出
し、一般化ヤコビ行列を利用し分解速度制御を行うこと
により、たとえマニピュレータの反動によりロボット本
体の姿勢が変動してもマニピュレータ船隊は目標の位置
に位置決めできることを示した。しかし、宇宙ロボット
本体を変動させるとマニピュレータ先端の位置決め以外
にも問題が生じる。例えばロボット本体に搭載される通
信用のアンテナは高精度にポインティングされている必
要がある。もし、マニピュレータの運動に伴う反動によ
りロボット本体が大きく姿勢変動すると通信不可能にな
ることが考えられる。従って、マニピュレータが運動し
てもロボット本体の位置や姿勢が変動しないように高精
度にロボット本体を制御する必要がある。
[0006] For example, Japanese journal of robot science, VOL.
7, no. In the “Object capture control experiment using a free-floating space tele-robot model” described in No. 6, if the propulsion device / attitude control device of the space robot itself is not used, the momentum
Utilizing that angular momentum is preserved, a generalized Jacobian matrix that specifies the relationship between the joint speed of the robot body and the manipulator and the speed at the manipulator tip is derived, and decomposition speed control is performed using the generalized Jacobian matrix. By doing this, it was shown that the manipulator fleet could be positioned at the target position even if the posture of the robot body fluctuated due to the recoil of the manipulator. However, when the space robot main body is varied, problems occur other than the positioning of the manipulator tip. For example, a communication antenna mounted on the robot body needs to be pointed with high precision. If the posture of the robot body greatly changes due to the recoil caused by the movement of the manipulator, communication may become impossible. Therefore, it is necessary to control the robot body with high precision so that the position and posture of the robot body do not change even if the manipulator moves.

【0007】ロボット本体の推進装置・姿勢制御装置に
よりマニピュレータ運動による反動を補償する場合に
は、反動の力/トルクがロボット本体の推進装置や姿勢
制御装置の許容最大出力を越えないことが重要である。
特に、フライホイールを姿勢制御装置として使用する場
合には、最大出力トルクがそれ程大きくないのでマニピ
ュレータの反動トルクが許容最大出力を越えないように
することが不可能である。
When the recoil due to manipulator motion is compensated by the propulsion device and attitude control device of the robot body, it is important that the force / torque of the reaction does not exceed the allowable maximum output of the propulsion device and attitude control device of the robot body. is there.
In particular, when the flywheel is used as an attitude control device, the maximum output torque is not so large, so that it is impossible to prevent the reaction torque of the manipulator from exceeding the allowable maximum output.

【0008】第10回日本ロボット学界学術講演会予稿
集に記載の「宇宙ロボットにおけるアーム系と姿勢系の
協調制御」では、宇宙ロボットにおいてマニピュレータ
運動による反動がロボット本体の推進装置や姿勢制御装
置の許容値を越えないようにする制御方法が提案されて
いる。オペレータの遠隔操作等により生成されたマニピ
ュレータの目標軌道から逆動力学計算を行うことにより
反動を計算し、許容値を越える場合にはマニピュレータ
の運動速度を落とすことにより反動が許容値を越えない
ようにしている。逆動力学計算は多くの計算量を要する
ために地上に高速計算機により行うようにし、速度を落
とした軌道を生成した後に軌道上に宇宙ロボットに目標
軌道として転送するようにしている。
In "Cooperative control of arm system and attitude system in space robot" described in the preliminary proceedings of the 10th Annual Meeting of the Robotics Society of Japan, the recoil due to manipulator motion in a space robot is caused by the propulsion device and attitude control device of the robot body. A control method that does not exceed the allowable value has been proposed. The recoil is calculated by performing inverse dynamics calculation from the target trajectory of the manipulator generated by remote operation of the operator, etc., and if it exceeds the allowable value, the motion speed of the manipulator is reduced so that the reaction does not exceed the allowable value. I have to. Since the inverse dynamics calculation requires a large amount of calculation, it is performed by a high-speed computer on the ground, and a trajectory with a reduced speed is generated and then transferred to the space robot as a target trajectory on the orbit.

【0009】しかし、この方法では地上に高価な高速の
リアルタイムOSの搭載された計算機を必要とする。な
ぜならば逆動力学は多くの計算量を必要とする上にオペ
レータの遠隔操作等により生成された目標軌道をリアル
タイムに修正する必要があるからである。また、宇宙ロ
ボットの動特性をあらかじめ正確に同定しておく必要が
あるが、動力のある地上で正確な同定を行うのはかなら
ずしも容易ではない。
However, this method requires a computer equipped with an expensive high-speed real-time OS on the ground. This is because the inverse dynamics requires a large amount of calculation, and it is necessary to correct a target trajectory generated by remote control of an operator in real time. Although it is necessary to accurately identify the dynamic characteristics of the space robot in advance, it is not always easy to perform accurate identification on a powered ground.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】このように、マニピュ
レータの動きに伴う反動によりロボット本体の姿勢変動
が問題となる自由飛行型の宇宙ロボットにおいて、ロボ
ット本体のフライホイール等のアクチュエータの許容能
力を考慮したマニピュレータの軌道生成方法は存在した
ものの逆動力学計算により反動を計算するために高価な
高速の計算機を必要とした上にあらかじめ宇宙ロボット
の動特性を正確に同定しておく必要があるという問題点
があった。
As described above, in a free-flying space robot in which the posture variation of the robot body is problematic due to the recoil caused by the movement of the manipulator, the allowable capacity of the actuator such as the flywheel of the robot body is considered. Trajectory generation method of a manipulator existed, but it required expensive high-speed computers to calculate the recoil by inverse dynamics calculation, and it was necessary to accurately identify the dynamic characteristics of the space robot in advance There was a point.

【0011】そこで、本発明の目的は、宇宙ロボットの
動特性を同定する必要がなくしかも高価な高速の計算機
を必要としない、ロボット本体制御用アクチュエータの
許容能力を考慮した宇宙ロボット制御装置を提供するこ
とである。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a space robot control device which does not need to identify the dynamic characteristics of a space robot and does not require an expensive high-speed computer, taking into account the allowable capacity of the actuator for controlling the robot body. It is to be.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明による宇宙ロボット制御装置は、ロボット本
体と、前記ロボット本体から延設されたマニピュレータ
と、前記ロボット本体を制御するためのロボット本体制
御用アクチュエータとを備える宇宙ロボットを制御する
ための宇宙ロボット制御装置であって、前記マニピュレ
ータの先端位置の現在値がその目標値に追従するために
要する前記マニピュレータの先端に作用すべき仮想の目
標の力およびトルクを算出する作業座標制御装置と、算
出された前記仮想の目標の力およびトルクによって前記
ロボット本体が受ける力およびトルクの値が前記ロボッ
ト本体制御用アクチュエータの許容最大値を越えないよ
うに、前記目標の力およびトルクを修正する力およびト
ルク修正装置と、前記力およびトルク修正装置によって
修正された目標の力およびトルクを実現するために要す
る前記マニピュレータの関節に作用すべき目標関節トル
クを算出する関節トルク変換装置と、前記目標関節トル
クを実現するための関節トルク制御部と、前記目標関節
トルクを実現したときの前記関節の関節角度の値から前
記マニピュレータの先端位置の前記現在値を算出して更
新する先端位置算出部と、を備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, a space robot controller according to the present invention comprises a robot body, a manipulator extended from the robot body, and a robot for controlling the robot body. A space robot control device for controlling a space robot including a main body control actuator, wherein a virtual value to be applied to a tip of the manipulator required for a current value of a tip position of the manipulator to follow its target value. A work coordinate control device that calculates a target force and torque, and a value of the force and torque received by the robot body due to the calculated virtual target force and torque does not exceed an allowable maximum value of the robot body control actuator. A force and torque correction device for correcting the target force and torque, A joint torque converter for calculating a target joint torque to be applied to a joint of the manipulator required to realize the target force and torque corrected by the writing and torque correcting device; and A joint torque control unit, comprising: a tip position calculation unit that calculates and updates the current value of the tip position of the manipulator from a value of a joint angle of the joint when the target joint torque is realized, I do.

【0013】また、前記関節トルク制御部は、マニピュ
レータの各関節に取り付けられたトルクセンサの値をフ
ィードバックするトルク制御系として実現されているこ
とが好適である。
It is preferable that the joint torque control unit is realized as a torque control system that feeds back the value of a torque sensor attached to each joint of the manipulator.

【0014】[0014]

【作用】オペレータの遠隔操作等により生成されたマニ
ピュレータの先端目標軌道に追従するようにマニピュレ
ータの先端に作用すべき仮想の目標の力およびトルク
(力/トルクと表す。)の値を作業座標制御装置によっ
て算出する。
The coordinates of the virtual target force and torque (expressed as force / torque) to be applied to the tip of the manipulator so as to follow the target trajectory of the manipulator generated by remote operation of the operator or the like. Calculated by the device.

【0015】作業座標制御装置によって算出された目標
の力/トルクの値によりロボット本体が反動として受け
る仮想の力/トルクの値が計算される。このロボット本
体が受ける仮想の力/トルクの値が、ロボット本体の推
進や姿勢を制御するロボット本体制御用アクチュエータ
の許容最大出力を越えるようであれば、ロボット本体制
御用アクチュエータの許容最大出力を越えないように力
/トルク修正装置によって修正する。この修正は、目標
の力/トルクの値を目標とする軌道方向の成分である目
標軌道追従成分と目標軌道追従成分以外の誤差補償成分
とに分解し、目標軌道追従成分を、ロボット本体が受け
る仮想の力/トルクの値がロボット本体制御用アクチュ
エータの許容最大出力以下に減少するように、優先的に
削減することによって行われる。
Based on the target force / torque value calculated by the work coordinate control device, a virtual force / torque value received by the robot body as a reaction is calculated. If the virtual force / torque value received by the robot body exceeds the maximum allowable output of the robot body control actuator that controls the propulsion and attitude of the robot body, it exceeds the maximum allowable output of the robot body control actuator. Is corrected by a force / torque corrector so that there is no This correction decomposes the target force / torque value into a target trajectory follow-up component which is a component in the target trajectory direction and an error compensation component other than the target trajectory follow-up component, and the robot receives the target trajectory follow-up component. This is performed by preferentially reducing the value of the virtual force / torque to be less than or equal to the maximum allowable output of the robot body control actuator.

【0016】力/トルク修正装置によって修正された目
標の力/トルクの値を実現するために要するマニピュレ
ータの関節に作用すべき目標関節トルクの値が関節トル
ク変換装置によって算出される。算出された各関節にお
ける目標関節トルクは関節制御部によって実現され、先
端位置算出部によって目標関節トルクを実現したときの
各関節の関節角度の値からマニピュレータの先端位置の
現在値を算出して更新する。更新された現在値が目標値
により近く追従するようにする。これにより、マニピュ
レータの動きによりロボット本体への反動の力/トルク
の値が、ロボット本体制御用アクチュエータの許容最大
出力を越えることを防ぐとともに、オペレータによる遠
隔操作等により生成されたマニピュレータの先端位置の
動きを実現することができる。また逆動力学計算などの
計算量の多い計算を必要としないので高価な高速な計算
機を必要としないようにすることができる。
The value of the target joint torque to be applied to the joint of the manipulator required for realizing the target force / torque value corrected by the force / torque correction device is calculated by the joint torque conversion device. The calculated target joint torque at each joint is realized by the joint control unit, and the current value of the manipulator tip position is calculated and updated from the joint angle value of each joint when the target joint torque is realized by the tip position calculation unit. I do. The updated current value follows the target value more closely. This prevents the force / torque value of the reaction to the robot body due to the movement of the manipulator from exceeding the maximum allowable output of the actuator for controlling the robot body, and the position of the distal end of the manipulator generated by remote control by the operator. Movement can be realized. In addition, since calculations requiring a large amount of calculation such as inverse dynamics calculations are not required, an expensive high-speed computer can be omitted.

【0017】また、前記関節トルク制御部は、マニピュ
レータの各関節に取り付けられたトルクセンサの値をフ
ィードバックするトルク制御系として実現されることに
より、たとえマニピュレータの関節部の減速器等に大き
な摩擦が存在しても目標関節トルクの値を正確に実現す
ることができ、マニピュレータ先端の高速度な追従性を
実現することができる。
The joint torque control unit is realized as a torque control system that feeds back the value of a torque sensor attached to each joint of the manipulator. Even if present, the value of the target joint torque can be accurately realized, and high-speed followability of the tip of the manipulator can be realized.

【0018】[0018]

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例につい
て説明する。図1は、宇宙ロボット8を制御するための
宇宙ロボット制御装置を示すブロック図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram showing a space robot control device for controlling the space robot 8.

【0019】図4に示すように、宇宙ロボット8は、ボ
ット本体10と、ロボット本体10から延設されたマニ
ピュレータ11と、ロボット本体10を制御するための
ロボット本体制御用アクチュエータ12とを備えてい
る。
As shown in FIG. 4, the space robot 8 includes a bot main body 10, a manipulator 11 extended from the robot main body 10, and a robot main body control actuator 12 for controlling the robot main body 10. I have.

【0020】宇宙ロボット制御装置は、マニピュレータ
11の先端位置11aの現在値がその目標値に追従する
ために要するマニピュレータ11の先端に作用すべき仮
想の目標の力/トルクを算出する作業座標制御装置1
と、算出された目標の力/トルクによってロボット本体
10が受ける仮想の力/トルクの値がロボット本体制御
用アクチュエータ12の許容最大値を越えないように、
算出された目標の力/トルクを修正する力/トルク修正
装置2と、力/トルク修正装置2によって修正された目
標の力/トルクを実現するために要するマニピュレータ
11の関節11bに作用すべき目標関節トルクを算出す
る関節トルク変換装置6と、目標関節トルクを実現する
ための関節トルク制御部7と、目標関節トルクを実現し
たときの関節11bの関節角度の値からマニピュレータ
11の先端位置11aの現在値を算出して更新する先端
位置算出部9とを備えている。
The space robot controller is a working coordinate controller for calculating a virtual target force / torque to be applied to the tip of the manipulator 11 for the current value of the tip position 11a of the manipulator 11 to follow the target value. 1
The virtual force / torque received by the robot body 10 by the calculated target force / torque does not exceed the maximum allowable value of the robot body control actuator 12.
A force / torque correction device 2 for correcting the calculated target force / torque, and a target to be applied to the joint 11b of the manipulator 11 required to realize the target force / torque corrected by the force / torque correction device 2 A joint torque converter 6 for calculating joint torque, a joint torque control unit 7 for achieving a target joint torque, and a joint position of the manipulator 11 based on a joint angle value of the joint 11b when the target joint torque is achieved. A tip position calculator 9 that calculates and updates the current value is provided.

【0021】図2に示すように、力/トルク修正装置2
は、目標の力/トルクの値を目標とする軌道方向の成分
である目標軌道追従成分と、目標軌道追従成分以外の誤
差補償成分とに分解する目標力/トルク分解部3と、ロ
ボット本体10が受ける仮想の力/トルクの値を算出す
るロボット本体負荷力/トルク算出部4と、マニピュレ
ータ11の先端位置11aにおける力/トルクを修正す
るアーム先端目標力/トルク修正部5とを有している。
As shown in FIG. 2, the force / torque correcting device 2
Is a target force / torque decomposing unit 3 that decomposes a target trajectory tracking component, which is a component in a trajectory direction that targets a target force / torque value, into an error compensation component other than the target trajectory tracking component; A robot main body load force / torque calculation unit 4 for calculating a virtual force / torque value received by the robot, and an arm tip target force / torque correction unit 5 for correcting the force / torque at the tip position 11a of the manipulator 11. I have.

【0022】オペレータによる遠隔操作等によりマニピ
ュレータ先端の目標先端位置が入力として与えられる
と、作業座標制御装置1は、マニピュレータ先端の目標
先端位置の値と先端位置算出部9の出力である現在のマ
ニピュレータ11の先端位置11aの値から、マニピュ
レータ11の先端位置11aでの目標力/トルクの値を
算出する。
When the target tip position of the manipulator tip is given as an input by remote control or the like by an operator, the work coordinate control device 1 outputs the value of the target tip position of the manipulator tip and the current manipulator output from the tip position calculation unit 9. The target force / torque value at the distal end position 11a of the manipulator 11 is calculated from the value of the distal end position 11a.

【0023】先端位置算出部9は、宇宙ロボット8にと
りつけられた関節センサ信号からマニピュレータ11の
先端位置11aを算出する。
The tip position calculator 9 calculates the tip position 11a of the manipulator 11 from the joint sensor signal attached to the space robot 8.

【0024】作業座標制御装置1は、制御対象のモデル
を必要としないPID制御系として構成され、マニピュ
レータ先端位置11aが目標値に追従するような目標力
/トルクが算出される。
The work coordinate control device 1 is configured as a PID control system that does not require a model to be controlled, and calculates a target force / torque such that the manipulator tip position 11a follows a target value.

【0025】マニピュレータ11の先端位置11aの目
標値のベクトルをXd、先端位置11aの目標の力をF
d、目標のトルクをMd、現在のマニピュレータ11の
先端位置の位置ベクトルをXとすると、マニピュレータ
11の先端位置11aに作用すべき目標力/トルクの合
成ベクトルFd´は以下のように計算される。
The vector of the target value at the tip position 11a of the manipulator 11 is Xd, and the target force at the tip position 11a is F.
Assuming that d is the target torque and Md is the current position vector of the distal end position of the manipulator 11, X is a composite vector Fd 'of target force / torque to be applied to the distal end position 11a of the manipulator 11 as follows. .

【0026】[0026]

【数1】 △x=xd−x Kp:比例ゲイン行列 Kd:微分ゲイン行列 Ki:積分ゲイン行列 マニピュレータ11の先端位置11aの目標力/トルク
の値は、目標力/トルク修正装置2の中の目標力/トル
ク分解部3に入力される。目標力/トルクの分解部3に
はマニピュレータ11の先端の目標位置の値も入力さ
れ、マニピュレータ先端の目標力/トルクの値を目標軌
道追従成分と目標軌道からの誤差補償成分に以下のよう
に分解する。目標軌道からの誤差補償成分とは、マニピ
ュレータ先端の目標力/トルクベクトルの目標軌道法線
方向成分のことであり、目標軌道からマニピュレータ先
端のずれを減少させるように働く成分のことである。
(Equation 1) Δx = xd−x Kp: proportional gain matrix Kd: differential gain matrix Ki: integral gain matrix The value of the target force / torque at the tip position 11a of the manipulator 11 is the target force / torque in the target force / torque correction device 2. It is input to the decomposition unit 3. The value of the target position at the tip of the manipulator 11 is also input to the target force / torque decomposing unit 3, and the target force / torque value at the tip of the manipulator is converted into a target trajectory tracking component and an error compensation component from the target trajectory as follows. Decompose. The error compensating component from the target trajectory is a component of the target force / torque vector at the tip of the manipulator in the normal direction of the target trajectory, and is a component that works to reduce the displacement of the tip of the manipulator from the target trajectory.

【0027】一方、目標軌道追従成分とは目標位置と現
在のマニピュレータ先端位置の誤差の中の軌道に沿った
誤差を減少させるように働く成分のことである。分解計
算は以下のように行われる。
On the other hand, the target trajectory tracking component is a component that works to reduce an error along the trajectory among errors between the target position and the current manipulator tip position. The decomposition calculation is performed as follows.

【0028】図3に示すように、(fxt,fyt)は
目標軌道追従成分であり、(fxv,fyv)目標軌道
からの誤差補償成分である。
As shown in FIG. 3, (fxt, fyt) is a target trajectory tracking component, and (fxv, fyv) is an error compensation component from the target trajectory.

【0029】[0029]

【数2】 Xtdの値の更新は、ロボット制御系の毎周期に、マニ
ピュレータ先端の位置Xを通りそのときの
(Equation 2) Updating of the value of Xtd is performed at each cycle of the robot control system by passing through the position X of the tip of the manipulator.

【0030】[0030]

【数3】 に垂直な平面と目標軌道との交点を求め、新たなXtd
とすることにより行う。VtdはXtdの時間微分ベク
トルであり、目標軌道の接線方向ベクトルである。目標
トルクの分解も目標力の分解と同様に、マニピュレータ
先端の目標姿勢ベクトルおよびマニピュレータ先端姿勢
ベクトルの値から姿勢ベクトル空間での接線成分を算出
することにより分解を行う。なお、記号・は内積の演算
を示す。
(Equation 3) The intersection between the plane perpendicular to the target and the target trajectory is calculated, and a new Xtd
Is performed. Vtd is a time differential vector of Xtd, and is a tangential vector of the target trajectory. Similar to the decomposition of the target force, the decomposition of the target torque is performed by calculating the tangent component in the posture vector space from the values of the target posture vector at the manipulator tip and the value of the manipulator tip posture vector. Note that the symbol "/" indicates the calculation of the inner product.

【0031】目標力/トルク分解部3の出力である目標
力/トルクの軌道追従成分と軌道誤差補償成分の値はロ
ボット本体負荷力/トルク算出部4に入力され、目標力
/トルク分解部3の出力である目標力/トルクがマニピ
ュレータ先端に発生したときにロボット本体10に加わ
る反動の力/トルクの値を算出する。ロボット本体10
に加わる反動の力/トルクの算出は以下のように静的つ
りあいの状態を仮定して求める。
The trajectory tracking component and the trajectory error compensating component of the target force / torque output from the target force / torque decomposing unit 3 are input to the robot body load force / torque calculating unit 4. The value of the reaction force / torque applied to the robot body 10 when the target force / torque, which is the output of (1), is generated at the tip of the manipulator. Robot body 10
The calculation of the reaction force / torque applied to is calculated assuming a state of static balance as follows.

【0032】 Fdv=Fv Mbv=Fv×x+Mv (3) Fbt=Ft Mbt=Ft×x+Mb (Fbv,Fbv)は先端目標力/トルクの軌道誤差補
償成分によるロボット本体反動力/トルクであり、(F
bt,Mbt)は先端目標力/トルクの軌道追従成分に
よるロボット本体反動力/トルクである。また、xはマ
ニピュレータ11の先端の位置ベクトル(位置のみ、姿
勢は含まず)であり、ロボット本体10の座標系での値
である。符号×は外積を示す。従って、(3)式により
算出される力/トルクは静的つりあいの状態を仮定した
ときのロボット本体10の座標系原点に加わる力および
トルクである。
Fdv = Fv Mbv = Fv × x + Mv (3) Fbt = Ft Mbt = Ft × x + Mb (Fbv, Fbv) is the reaction force / torque of the robot body due to the trajectory error compensation component of the target force / torque at the tip.
(bt, Mbt) is the reaction force / torque of the robot body due to the trajectory following component of the target force / torque at the tip. Further, x is a position vector (only position, not including posture) of the tip of the manipulator 11, and is a value in the coordinate system of the robot body 10. The symbol x indicates an outer product. Therefore, the force / torque calculated by the equation (3) is the force and torque applied to the origin of the coordinate system of the robot body 10 assuming a state of static balance.

【0033】ロボット本体負荷力/トルク算出部4の出
力は、アーム先端目標力/トルク修正部5に入力され、
目標先端の力/トルクの値の軌道追従成分および軌道誤
差補償成分をそれぞれどの程度削減すればよいかが算出
される。
The output of the robot body load force / torque calculation unit 4 is input to the arm tip target force / torque correction unit 5,
It is calculated how much the trajectory following component and the trajectory error compensation component of the force / torque value of the target tip should be reduced.

【0034】一般に宇宙ロボット8では、ロボット本体
制御用アクチュエータ12において、並進方向の推進力
はスラスタにより発生し、回転(姿勢)方向のトルクは
フライホイールやCMGにより発生される。従って、ロ
ボット本体制御用アクチュエータ12の許容最大出力
は、力とトルクについてそれぞれ個別に存在する。力の
許容最大値をFmax,トルクの許容最大値をMmax
とすると以下のように目標先端の力/トルクの値を修正
する。 rm=|Mbv| /|Mmax| ,rf=|Fbv
| /|Fmax| a) |Mbv| ≧|Mmax| (|rm| >|
rf| )の場合 Fd=Fv・|Mmax| /|Mbv| Md=Mv・|Mmax| /|Mbv| b) |Fbv| ≧|Fmax| (|rf| >|
rm| )の場合 Fd=Fv・|Fmax| /|Fbv| Md=Mv・|Fmax| /|Fbv| c) |Mbv+Mbt| ≦|Mmax| かつ|F
bv+Fbt| ≦|Fmax| の場合 Fd=Fv+Ft Md=Mv+Mt d) c)以外で|Mbv| <|Mmax| かつ|
Fbv| <|Fmax| の場合 1) |Mbv+α1・Mbt| =|Mmax| を
満たす正のα1を求める。
In general, in the space robot 8, in the robot body control actuator 12, the thrust in the translation direction is generated by the thruster, and the torque in the rotation (posture) direction is generated by the flywheel or the CMG. Therefore, the maximum allowable output of the actuator 12 for controlling the robot body exists individually for the force and the torque. The allowable maximum value of force is Fmax, and the allowable maximum value of torque is Mmax.
Then, the value of the force / torque at the target tip is corrected as follows. rm = | Mbv | / | Mmax |, rf = | Fbv
| / | Fmax | a) | Mbv | ≧ | Mmax | (| rm |> |
rf |) Fd = Fv · | Mmax | / | Mbv | Md = Mv · | Mmax | / | Mbv | b) | Fbv | ≧ | Fmax | (| rf |> |
rm |) Fd = Fv · | Fmax | / | Fbv | Md = Mv · | Fmax | / | Fbv | c) | Mbv + Mbt | ≦ | Mmax | and | F
bd + Fbt | ≦ | Fmax | Fd = Fv + Ft Md = Mv + Mt d) Except for c), | Mbv | <| Mmax | and |
If Fbv | <| Fmax | 1) Find a positive α1 satisfying | Mbv + α1 · Mbt | = | Mmax |.

【0035】 |Mbv+α1・Mbt| =|Mmax| ↓ |Mbt|2 α12 +2(Mbv・Mbt)α1+|
Mbv|2 −|Mmax|2 =0 −−−上記の2次方程式の解としてのα1を求める。
| Mvv + α1 · Mbt | = | Mmax | ↓ | Mbt | 2 α1 2 +2 (Mbv · Mbt) α1 + |
Mbv | 2 − | Mmax | 2 = 0 Calculate α1 as a solution of the above quadratic equation.

【0036】2) |Fbv+α2 ・Fbt| =|F
max| を満たす正のα2を求める。
2) | Fbv + α2 · Fbt | = | F
max | is found.

【0037】3) α1とα2を比較し値の小さな方を
αとする。
3) α1 and α2 are compared, and the smaller value is set as α.

【0038】4) Fd=α・Ft+Fv Md=α・Mt+Mt 上記のように修正されたマニピュレータ先端の力/トル
クの値が先端力/トルク→関節トルク変換装置6に入力
され、以下のように先端力/トルクを実現する各関節ト
ルクが算出される。
4) Fd = α · Ft + Fv Md = α · Mt + Mt The force / torque value of the manipulator tip corrected as described above is input to the tip force / torque → joint torque converter 6, and the tip is calculated as follows. Each joint torque that realizes the force / torque is calculated.

【0039】Td=JT ・Fd´ J:ヤコビアン行列 上記は静的なつりあい状態を仮定した変換式である。上
記のようにマニピュレータ先端の目標力/トルクの値を
修正することにより、マニピュレータの動きによりロボ
ット本体が受ける反動の力/トルクがロボット本体のア
クチュエータの許容最大力/トルクを越えることを防ぐ
ことができる。
Td = J T · Fd ′ J: Jacobian matrix The above is a conversion formula assuming a static balance state. By modifying the target force / torque value at the tip of the manipulator as described above, the reaction force / torque received by the robot body due to the movement of the manipulator can be prevented from exceeding the allowable maximum force / torque of the actuator of the robot body. it can.

【0040】関節トルク変換装置6の出力である各関節
目標トルクの値は電流制御されている関節トルク制御部
7に入力される。関節トルク制御部7は各関節11bを
駆動するモータ電流を電流制御することより入力値であ
る各関節目標トルクを実現する。従って、ロボット本体
8の先端位置は目標先端位置に追従するように動く。
The value of each joint target torque, which is the output of the joint torque converter 6, is input to a current-controlled joint torque controller 7. The joint torque control unit 7 realizes each joint target torque, which is an input value, by controlling the motor current for driving each joint 11b. Therefore, the tip position of the robot body 8 moves so as to follow the target tip position.

【0041】また、前述のようにマニピュレータ11の
軌道からの誤差補償成分を優先的に残すことにより、目
標軌道に沿っての動きは目標軌道に対して遅れることが
あっても、目標軌道からのずれは最小限に抑えることが
できる。一般に、目標軌道からマニピュレータの動きが
ずれるとまわりの環境との衝突等を生じる可能性があり
望ましくない。目標軌道に沿っての動きも目標軌道に追
従することが当然望ましいが、目標軌道上に存在する限
りはまわりのに環境との衝突は避けられる。また、作業
時間の増大はまねくが最終的に目的の位置には到達する
ことから必要最低限の機能ははたせると考えられる。
As described above, by leaving the error compensation component from the trajectory of the manipulator 11 preferentially, even if the movement along the target trajectory may be delayed with respect to the target trajectory, Deviation can be minimized. Generally, if the movement of the manipulator deviates from the target trajectory, a collision with the surrounding environment may occur, which is not desirable. It is naturally desirable that the movement along the target trajectory also follows the target trajectory, but collisions with the surrounding environment can be avoided as long as they are on the target trajectory. In addition, it is thought that the minimum required functions can be provided because the work time is increased but the target position is finally reached.

【0042】なお、マニピュレータの各関節にトルクセ
ンサをとりつけ、関節トルク変換装置6の出力である目
標関節トルクを実現するようにトルク制御系を構成すれ
ば、たとえ減速器の摩擦が大きい場合でも各関節の目標
トルクの値を正確に実現することが可能になり、より高
精度な目標地追従性を実現することができる。
If a torque sensor is attached to each joint of the manipulator and a torque control system is configured to realize the target joint torque which is the output of the joint torque converter 6, even if the friction of the speed reducer is large, It is possible to accurately realize the value of the target torque of the joint, and it is possible to realize more accurate target location followability.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上のように本発明の構成によれば、マ
ニピュレータの動きによりロボット本体が反動として受
ける力/トルクをロボット本体制御用アクチュエータの
許容最大値を越えないようにリアルタイムに制限するこ
とが可能になる。この結果、たとえマニピュレータの動
きにより反動を受けてもロボット本体が位置や姿勢の変
動を生じることを防ぐことができる。また、逆動力学計
算などの計算量の多い計算を必要としないので高価な高
速な計算機を必要としないようにすることができる。
As described above, according to the configuration of the present invention, the force / torque received by the robot body as a reaction due to the movement of the manipulator is limited in real time so as not to exceed the maximum allowable value of the actuator for controlling the robot body. Becomes possible. As a result, even if the manipulator receives a reaction due to the movement of the manipulator, it is possible to prevent the position and posture of the robot body from changing. In addition, since calculations requiring a large amount of calculation such as inverse dynamics calculations are not required, an expensive high-speed computer can be omitted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施例の概略構成を示すブロック
図。
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of an embodiment of the present invention.

【図2】力/トルク修正装置の構成を示すブロック図。FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a force / torque correction device.

【図3】マニピュレータ先端の目標力/トルクの目標軌
道追従成分の目標軌道誤差補償成分を示す図。
FIG. 3 is a diagram showing a target trajectory error compensation component of a target trajectory follow-up component of a target force / torque at the tip of the manipulator.

【図4】宇宙ロボットの概略構成を示す平面図。FIG. 4 is a plan view showing a schematic configuration of a space robot.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 作業座標制御装置 2 力/トルク修正装置 3 目標力/トルク分解部 4 ロボット本体負荷力/トルク算出部 5 アーム先端目標力/トルク修正部 6 関節トルク変換装置 7 関節トルク制御部 8 宇宙ロボット 9 先端位置算出部 10 ロボット本体 11 マニピュレータ 11a マニピュレータの先端位置 11b 関節 12 ロボット本体制御用アクチュエータ REFERENCE SIGNS LIST 1 work coordinate control device 2 force / torque correction device 3 target force / torque decomposition unit 4 robot body load force / torque calculation unit 5 arm tip target force / torque correction unit 6 joint torque conversion device 7 joint torque control unit 8 space robot 9 Tip position calculation unit 10 Robot body 11 Manipulator 11a Tip position of manipulator 11b Joint 12 Robot body control actuator

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−129688(JP,A) 特開 平4−331084(JP,A) 特開 平5−158540(JP,A) 特開 平5−178295(JP,A) 特開 平5−238493(JP,A) 特開 平6−198585(JP,A) 特開 平3−178788(JP,A) 特開 平1−116704(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B25J 3/00 - 3/04 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/02 - 19/06 Continuation of front page (56) References JP-A-4-129688 (JP, A) JP-A-4-3318104 (JP, A) JP-A-5-158540 (JP, A) JP-A-5-178295 (JP) JP-A-5-238493 (JP, A) JP-A-6-198585 (JP, A) JP-A-3-178788 (JP, A) JP-A-1-116704 (JP, A) (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) B25J 3/00-3/04 B25J 9/10-9/22 B25J 13/00-13/08 B25J 19/02-19/06

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】ロボット本体と、前記ロボット本体から延
設されたマニピュレータと、前記ロボット本体を制御す
るためのロボット本体制御用アクチュエータとを備える
宇宙ロボットを制御するための宇宙ロボット制御装置で
あって、 前記マニピュレータの先端位置の現在値がその目標値に
追従するために要する前記マニピュレータの先端に作用
すべき仮想の目標の力およびトルクを算出する作業座標
制御装置と、 算出された前記仮想の目標の力およびトルクによって前
記ロボット本体が受ける力およびトルクの値が前記ロボ
ット本体制御用アクチュエータの許容最大値を越えない
ように、前記目標の力およびトルクを修正する力および
トルク修正装置と、 前記力およびトルク修正装置によって修正された目標の
力およびトルクを実現するために要する前記マニピュレ
ータの関節に作用すべき目標関節トルクを算出する関節
トルク変換装置と、 前記目標関節トルクを実現するための関節トルク制御部
と、 前記目標関節トルクを実現したときの前記関節の関節角
度の値から前記マニピュレータの先端位置の前記現在値
を算出して更新する先端位置算出部と、を備えることを
特徴とする宇宙ロボット制御装置。
1. A space robot control device for controlling a space robot including a robot body, a manipulator extended from the robot body, and a robot body control actuator for controlling the robot body. A working coordinate control device for calculating a virtual target force and torque to be applied to the tip of the manipulator and required for the current value of the tip position of the manipulator to follow the target value; and the calculated virtual target. A force and torque correcting device for correcting the target force and torque so that the value of the force and torque received by the robot body by the force and torque does not exceed the maximum allowable value of the actuator for controlling the robot body; To achieve the target force and torque corrected by the A joint torque converter for calculating a target joint torque to be applied to a joint of the manipulator required for: a joint torque control unit for realizing the target joint torque; and a joint of the joint when the target joint torque is realized. A space robot control device comprising: a tip position calculation unit that calculates and updates the current value of the tip position of the manipulator from an angle value.
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