JP2007301708A - Nonholonomic manipulator - Google Patents
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Abstract
Description
非ホロノミック拘束を利用した劣駆動マニピュレータの構造に関する. The structure of underactuated manipulators using nonholonomic constraints.
マニピュレータ先端のハンド部を2次元平面の許容範囲内において任意の位置に移動させる平面マニピュレータは、一般に2つの独立したアクチュエータが必要である。ここでアクチュエータが一つの場合は劣駆動マニピュレータと称され、軽量、低コスト化が見込まれて種々の研究がなされている。しかし、所定の位置に物体を持っていくための制御が難しく実用化の例は少ない。 A planar manipulator that moves the hand portion at the tip of the manipulator to an arbitrary position within an allowable range of the two-dimensional plane generally requires two independent actuators. Here, when one actuator is used, it is called an underactuated manipulator, and various studies have been made with the expectation of light weight and low cost. However, it is difficult to control to bring an object to a predetermined position, and there are few practical examples.
劣駆動マニピュレータは、軽量、低コスト化が見込まれて種々の研究がなされているが、制御が難しく実用化の例は少ない。劣駆動マニピュレータの利点を活かしかつ制御をやさしくするような構成法が課題である。 Various studies have been made on underactuated manipulators with the expectation of light weight and low cost, but they are difficult to control and few examples have been put to practical use. A construction method that makes use of the advantage of the underactuated manipulator and makes the control easy is a problem.
図1に示すように、サンギア1とリングギア2とプラネタリギアとそのキャリア3とからなる遊星ギアユニットを有し、プラネタリギアキャリアに第一リンク4を固定し、リングギアに第二リンク5を固定し、これらに第三リンク6、第四リンク7を追加してパンタグラフを構成する.また図3に示すようにサンギア回転軸にアクチュエータを設けて能動的に回転させる機能を持たせた構成とする。パンタグラフの先端にはハンド部8が設けられている。
遊星ギアユニットの単独の特性を図2に示す。サンギアの回転速度をω1、プラネタリギアキャリアの回転速度をω2、リングギアの回転速度をω3とすると、プラネタリギアがサンギア上を転がる長さとリングギア上を転がる長さが等しい条件から図のような関係式が得られる。As shown in FIG. 1, it has a planetary gear unit composed of a sun gear 1, a ring gear 2, a planetary gear, and its carrier 3. The first link 4 is fixed to the planetary gear carrier, and the second link 5 is fixed to the ring gear. The pantograph is constructed by adding a third link 6 and a fourth link 7 to them. Further, as shown in FIG. 3, the sun gear rotating shaft is provided with an actuator so as to have a function of actively rotating. A hand portion 8 is provided at the tip of the pantograph.
The single characteristics of the planetary gear unit are shown in FIG. When the rotation speed of the sun gear is ω 1 , the rotation speed of the planetary gear carrier is ω 2 , and the rotation speed of the ring gear is ω 3 The following relational expression is obtained.
本マニピュレータの各座標とパラメータを図3に示す。モータ9はサンギアを直接駆動する。こうすると、マニピュレータの運動に関する数式が(1)〜(8)のように記述できる。
まず、ラグランジアンは次のようになる。The coordinates and parameters of the manipulator are shown in FIG. The motor 9 directly drives the sun gear. In this way, mathematical expressions relating to the motion of the manipulator can be described as (1) to (8).
First, Lagrangian is as follows.
ここで、 here,
運動方程式は、
The equation of motion is
ここで式(7),(8)のθとθSの2次微分項(慣性項)に非駆動変数θが含まれるため、非特許文献1に示されているように、この系は非ホロノミック系であることが明らかであり一般に一つのアクチュエータでパンタグラフ先端を平面上の任意の位置に移動できる可能性を有する。
さらに、式(4)よりrはθSにより直接制御可能であり、構成からθSはアクチュエータトルクTSにより直接制御可能であるため、rはTSにより制御可能であることがわかる。次に、式(7),(8)を加算すると、θSの2次微分項はISのみとなることから、ISを小さく設定すればθはTSにより制御可能であることがわかる。
このようにrもθもそれぞれ単独の制御なら比較的簡単な制御で目標値に達する制御が可能であることが予測できる。
非特許文献1:G.Oriolo,Y.Nakamura,Control of Mechanical System with Second−order Nonholonomic Constraints:Underactuated Manipulators, Proc.30th IEEE Int.Conf.On Decision and Control,2398/2403(1991) Here, since the non-driven variable θ is included in the second derivative terms (inertia terms) of θ and θ S in the equations (7) and (8), as shown in Non-Patent Document 1, this system is non- It is clear that it is a holonomic system, and in general, there is a possibility that the tip of the pantograph can be moved to an arbitrary position on the plane with one actuator.
Further, Equation (4) from r can be controlled directly by theta S, because theta S from the configuration can be controlled directly by the actuator torque T S, r It can be seen that can be controlled by T S. Then, Equation (7), when adding (8), theta 2-order differential term of S from becoming only I S, it can be seen that the theta is set smaller I S can be controlled by T S .
As described above, if both r and θ are independent controls, it can be predicted that the control to reach the target value can be performed with relatively simple control.
Non-Patent Document 1: G.A. Oriolo, Y. et al. Nakamura, Control of Mechanical System with Second-order Nonholonomic Constants: Underduced Manipulators, Proc. 30 th IEEE Int. Conf. On Decision and Control, 2398/2403 (1991)
次に、性能をシミュレーションにより確認する.シミュレーションはMATLAB/SIMULINKで行った。図1に示す形態のマニピュレータを考え、図2に示す遊星ギアを用い、図3のように各パラメータと変数を定義し、式(7),(8)で示されるモデルを用いてシミュレーションを行った。
初期状態r=1.0,θ=0.0から、θを1.0に近づける制御を行った結果を図4〜7に示す。設定したパラメータと制御則も同時に図4に示す。
初期状態r=1.0,θ=0.0から、rを0.3に近づける制御を行った結果を図8〜11に示す。
設定したパラメータと制御則も同時に図8に示す。
いずれも、簡単な比例+微分制御のみにより、目標を達成していることが分かる。
一般の劣駆動マニピュレータ、例えば水平面内におかれた2本のリンクを有する回転2軸マニピュレータは中心軸を駆動すると非ホロノミックマニピュレータになるが、簡単な比例制御により上記のような制御結果を得たという報告はないし、比例制御では不可能と思われる。Next, the performance is confirmed by simulation. The simulation was performed with MATLAB / SIMULLINK. Considering the manipulator of the form shown in FIG. 1, the planetary gear shown in FIG. 2 is used, the parameters and variables are defined as shown in FIG. 3, and the simulation is performed using the models shown in equations (7) and (8). It was.
FIGS. 4 to 7 show the results of performing control to bring θ closer to 1.0 from the initial state r = 1.0 and θ = 0.0. The set parameters and control laws are also shown in FIG.
FIGS. 8 to 11 show the results of control to bring r close to 0.3 from the initial state r = 1.0 and θ = 0.0.
The set parameters and control laws are also shown in FIG.
In any case, it can be seen that the target is achieved only by simple proportional + differential control.
A general underactuated manipulator, for example, a rotating two-axis manipulator having two links placed in a horizontal plane, becomes a nonholonomic manipulator when the central axis is driven. However, the above control result was obtained by simple proportional control. There is no report, and it seems impossible with proportional control.
図12は、アクチュエータで1つのギア軸を駆動する場合と、2つのギア軸の相対角を駆動する場合の比較を示す。これより、1つのギア軸を駆動する場合は、慣性マトリクスに非駆動変数θが含まれるためこの系は非ホロノミック系であるが、2つのギア軸の相対角を駆動する場合は、慣性マトリクスに非駆動変数θが含まれないためこの系はホロノミック系となり1つのアクフエータでは制御できないことがわかる。 FIG. 12 shows a comparison between driving one gear shaft with an actuator and driving a relative angle of two gear shafts. As a result, when driving one gear shaft, the inertia matrix includes the non-driving variable θ, so this system is a nonholonomic system, but when driving the relative angle of the two gear shafts, the inertia matrix contains Since the non-driving variable θ is not included, it can be seen that this system becomes a holonomic system and cannot be controlled by one actuator.
図13は、本発明を検査作業の支援ロボットに適用した例を示す。図では円卓状の作業台10で3人の作業者が、組立工程から来た製品11の最終検査を行っている。この製品の検査は、高度の熟練を要するため、熟練工が検査を行なわなければならない場合である。検査後はOK、NG品を分別して梱包工程あるいは修理工程へ運ばれる。
本発明のロボット本体は、円卓状の作業台10の中央部あるいは天井に固定されており、パンタグラフ先端のハンド部の移動範囲は円卓全体をカバーしている。
ここでロボットの役割は、組立工程から来た製品11を作業者の所へ運び、作業が完了した製品を梱包工程へ渡す役割を行っている。図では作業者12がロボットに製品を運んでくるように指示を出し、ロボットが組立工程から来た製品11を把持し作業者Cの所へ運んできた状況を表わしている。制御は図10に示したrを一定にする制御をしているため、図13において非ホロノミックな運動をしながら図の一点鎖線の軌道に沿って製品を運ぶ。ここで作業者12はロボットハンド部8に設けられた取っ手を掴んでロボットハンドを手前に引き自分の作業しやすい位置まで移動してから製品を作業台に降ろす。このようにロボットが製品を円軌道に沿って制御している状況下で人間が割り込んで自分の欲する位置まで動かすような割り込み操作は、非ホロノミック機構でないと困難である。非ホロノミック機構は、モータで直接rやθを制御しておらず慣性力を介して制御しているため、作業者はr、θ方向には比較的自由に製品を動かすことができる。FIG. 13 shows an example in which the present invention is applied to an inspection support robot. In the figure, three workers are performing a final inspection of the product 11 from the assembly process on the work table 10 having a round table shape. Since the inspection of this product requires a high degree of skill, this is a case where a skilled worker must perform the inspection. After inspection, OK and NG products are separated and transported to the packing process or repair process.
The robot main body of the present invention is fixed to the center part or ceiling of the round table-like work table 10, and the movement range of the hand part at the tip of the pantograph covers the whole round table.
Here, the role of the robot is to carry the product 11 coming from the assembly process to the worker's place and to pass the completed product to the packaging process. In the figure, the worker 12 instructs the robot to carry the product, and the robot grasps the product 11 from the assembly process and carries it to the worker C. Since the control is such that r shown in FIG. 10 is made constant, the product is carried along the trajectory of the alternate long and short dash line in FIG. 13 while performing non-holonomic motion. Here, the operator 12 grasps the handle provided in the robot hand unit 8, pulls the robot hand forward, moves to a position where it can be easily operated, and then lowers the product onto the work table. In such a situation where the robot is controlling the product along a circular orbit, an interrupt operation in which a human interrupts and moves to the position he desires is difficult unless a nonholonomic mechanism is used. In the nonholonomic mechanism, r and θ are not directly controlled by a motor but are controlled through inertial force, so that an operator can move a product relatively freely in the r and θ directions.
このように、人間とロボットの協調作業において、制御中のロボットに作業者が割り込んで作業者の操作を優先させる機能を与えることで、作業者が作業しやすい位置に自在に製品を降ろすことが出来、また作業者が自分の意思で作業位置をフレキシブルに決められるため作業者の環境改善や負担低減につながる。また、作業者12が初心者の場合に作業者詔が手本を見せるために13の位置を12に近づけて作業を行ったり、一時的にラインの稼働率を上げる必要が生じスペースが許す限りの作業者を投入しなければならない場合もマニピュレータの制御方法はそのままで図の点線で示すように作業者を投入することで、フレキシブルな対応が可能になるといったメリットもある。 In this way, in collaborative work between humans and robots, by giving the function that the operator interrupts the controlled robot and gives priority to the operator's operation, the product can be freely lowered to a position where the worker can easily work. In addition, since the operator can flexibly determine the work position by his / her own intention, the environment of the worker is improved and the burden is reduced. In addition, when the worker 12 is a beginner, the worker must move the position of the 13 closer to 12 in order to show a model, or temporarily increase the operating rate of the line, as long as the space permits. Even when an operator has to be input, there is an advantage that a flexible response is possible by inputting the operator as shown by a dotted line in the figure without changing the control method of the manipulator.
さらには図14,15に比較して示すように、基本的に非ホロノミックマニピュレータはハンド部に外力が加わると逃げるように動くため、誤って作業者がハンド部に腕や顔をぶつけても衝撃が小さく負傷しにくい。このため人間とロボットの協調作業における安全性確保の効果も大きい。図14(a),(b)に示すように、従来の2次元マニピュレータは、r一定で回転中に障害物に当たってもモータトルクが直接障害物に加わるため、製品や障害物にダメージを与えるが、図15(a),(b)に示すように本考案の2次元マニピュレータは、r一定で回転中に障害物に当たった場合にモータトルクや回転速度が変わらなくても製品はr方向に逃げてくれるため、モータトルクが直接障害物に加わらず、製品や障害物にダメージを与えない。なお図14,15いずれの場合も、マニピュレータの回転速度は十分小さくて運ばれる製品が障害物に当たった時の慣性力による衝撃は考慮しなくてよいものとする。 Furthermore, as shown in comparison with FIGS. 14 and 15, the nonholonomic manipulator basically moves so as to escape when an external force is applied to the hand part, so even if an operator accidentally hits the arm or face against the hand part Is small and difficult to be injured. For this reason, the effect of ensuring safety in human-robot cooperative work is also great. As shown in FIGS. 14A and 14B, the conventional two-dimensional manipulator damages the product and the obstacle because the motor torque is directly applied to the obstacle even if it hits the obstacle while rotating at a constant r. As shown in FIGS. 15 (a) and 15 (b), the two-dimensional manipulator according to the present invention has a constant r and the product moves in the r direction even if the motor torque or rotation speed does not change when it hits an obstacle while rotating Because it escapes, the motor torque is not directly applied to the obstacle and does not damage the product or the obstacle. 14 and 15, it is not necessary to consider the impact caused by the inertial force when the product to be transported hits an obstacle because the rotation speed of the manipulator is sufficiently small.
以上は検査工程に適用した例であるが、組み立て工程の中で適用することも出来る。
また、このような人間とロボットの協調作業における非ホロノミックマニピュレータのメリットは、レストランなどのサービス業や家庭の介護支援に活用しても活かすことが出来る。
従来の位置制御マニピュレータでこのようなことをやろうとすると一端クラッチでハンド部とアクチュエータ間の伝達機構を解除する必要があり構成が複雑になってしまうため、非ホロノミックマニピュレータでないと実現困難である。Although the above is an example applied to an inspection process, it can also be applied in an assembly process.
Moreover, the merit of the nonholonomic manipulator in the collaborative work of humans and robots can be utilized even in service industries such as restaurants and home care support.
When trying to do this with a conventional position control manipulator, it is necessary to release the transmission mechanism between the hand portion and the actuator with a one-end clutch, and the configuration becomes complicated. Therefore, it is difficult to realize it unless it is a nonholonomic manipulator.
以下に本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。
図16に形態を示す。基本構成は図1と同じであるが、ハンド部とプラネタリギアキャリア部14とを上下方向にクリアランスを持たせて設定することでr=0付近でもハンド部とキャリア部が干渉せず、ハンド部がr=1の円内の任意の位置へ移動できるように構成した。The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
The form is shown in FIG. The basic configuration is the same as in FIG. 1, but the hand portion and the planetary gear carrier portion 14 are set with a clearance in the vertical direction so that the hand portion and the carrier portion do not interfere even near r = 0. Can be moved to any position within the circle of r = 1.
マニピュレータの先端をギア軸を中心とする任意の円軌道あるいは直径線上を移動させることができるためハンド部分の操作をうまく連動させれば、ペイントや物のハンドリングや部品供給などで有用性の高いマニピュレータとなる。 Since the tip of the manipulator can be moved on an arbitrary circular orbit or diameter line around the gear axis, if the operation of the hand part is linked well, a manipulator that is highly useful in handling paints and objects and supplying parts It becomes.
1 サンギア
2 リングギア
3 プラネタリギアキャリア
4 第一リンク
5 第二リンク
6 第三リンク
7 第四リンク
8 ハンド部
9 モータ
10 円卓状作業台
11 製品
12 作業者
13 作業者DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sun gear 2 Ring gear 3 Planetary gear carrier 4 First link 5 Second link 6 Third link 7 Fourth link 8 Hand part 9 Motor 10 Round table work table 11 Product 12 Worker 13 Worker
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006155318A JP2007301708A (en) | 2006-05-09 | 2006-05-09 | Nonholonomic manipulator |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2006155318A JP2007301708A (en) | 2006-05-09 | 2006-05-09 | Nonholonomic manipulator |
Publications (1)
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Family Applications (1)
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JP2006155318A Pending JP2007301708A (en) | 2006-05-09 | 2006-05-09 | Nonholonomic manipulator |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2007301708A (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102008058292A1 (en) | 2007-11-21 | 2009-05-28 | Denso Corp., Kariya-shi | Method and device for detecting the internal electrical condition of a vehicle secondary battery |
JP2016030302A (en) * | 2014-07-28 | 2016-03-07 | 株式会社Taiyo | Electric gripper device |
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2006
- 2006-05-09 JP JP2006155318A patent/JP2007301708A/en active Pending
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