JP2008030167A - Motion acquisition system and its control method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To establish a stable contact operation with an unknown actual environment, and to extract, conserve and reproduce each motion like fingers of a person. <P>SOLUTION: An acceleration control for making control rigidity zero while keeping robustness is performed for an actuator 1 of each robot system by a disturbance observer. The disturbance acceleration θ''<SP>ext</SP>and the acceleration response θ''<SP>res</SP>of the actuator 1 are converted into acceleration disturbance m''<SP>ext</SP>and an acceleration response value m''<SP>res</SP>, respectively, in a non-interference mode of an orthogonal coordinate system by using a mode quarry matrix by mode acceleration conversion means 27 and 28. A motion in relation to an object 47 corresponding to each of non-interference modes is extracted based on the acceleration disturbance m''<SP>ext</SP>and the acceleration response value m''<SP>res</SP>. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えば熟練者などのモーションの抽出,保存,再現を可能にするモーション習得システムおよびその制御方法に関する。   The present invention relates to a motion learning system that enables extraction, storage, and reproduction of motion of, for example, an expert, and a control method thereof.

近年、ロボットによる低侵襲性外科医療や熟練者のスキル保存といった人間の高度な作業支援のための技術の確立が求められている。こうした要求に対し、画像情報に基づいて人間のスキルを抽出する研究が数多く行なわれているが、環境との接触動作を繰り返し行なうようなタスク(人間の作業内容)の抽出と再現は、力制御に基づく動作が必要であるため困難な状況となっている。   In recent years, there has been a demand for establishment of techniques for supporting human advanced work such as minimally invasive surgical treatment by robots and skill preservation of skilled workers. In response to these demands, many studies have been conducted to extract human skills based on image information, but the extraction and reproduction of tasks that repeat contact with the environment (human work content) is a force control. This is a difficult situation because an operation based on the above is required.

例えば特許文献1には、ワークである皿内面に対しての筆記動作に関する筆記情報とワーク情報を、マスター機構部によって認識すると、コントローラーがスレーブ機構のロボットアームとスレーブ側皿を動作制御して、前記筆記動作を再現させるシステムが開示されている。しかし、これも前記画像情報と同じく、位置情報だけでモーションの抽出と再現を行なおうとしているので、環境との接触・被接触の繰り返し動作を再現することが難しい。
特開2006−62052号公報
For example, in Patent Document 1, when the master mechanism recognizes writing information and work information related to a writing operation on the inner surface of a plate as a workpiece, the controller controls the operation of the robot arm of the slave mechanism and the slave side plate, A system for reproducing the writing operation is disclosed. However, as with the image information, since the motion is extracted and reproduced only by the position information, it is difficult to reproduce the repeated operation of contact with or contact with the environment.
JP 2006-62052 A

こうした問題に対し、他の技術として、仮想環境下で再現を行なうものや、位置と力のハイブリッド制御を用いたものなどが提案されている。しかしながら、現状では人間の動作やタスク内容に応じて再現を行なうような満足のいく力制御系が計装されてはおらず、実現は必ずしも容易ではない。その理由として、力覚情報は本来「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報であるにもかかわらず、現状の力制御系は単方向(Unilateral)性であり、双方向(Bilateral)性情報を取り扱う基本的な手法を欠いているからであると考えられる。また、ロボットに人間のような器用な動作を実現させるためには、多自由度システムの効率的な統合モーションが強く望まれていた。   Other techniques for resolving these problems have been proposed, such as reproduction in a virtual environment, or using hybrid position and force control. However, at present, a satisfactory force control system that reproduces according to human actions and task contents has not been instrumented, and implementation is not always easy. The reason for this is that although force information is originally bidirectional information that is governed by the “law of action / reaction”, the current force control system is unidirectional and bilateral (Bilateral). This is thought to be due to the lack of basic methods for handling sexual information. Also, in order to realize robotic dexterous movements like humans, an efficient integrated motion of a multi-degree-of-freedom system has been strongly desired.

本発明は上記の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、未知の実環境との安定した接触動作を確立すると共に、例えば人間の指のようなモーションを個々に抽出することができるモーション習得システムの制御方法およびその装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and its purpose is to establish a stable contact operation with an unknown real environment and to extract a motion such as a human finger individually. It is an object of the present invention to provide a learning system control method and apparatus.

また、本発明の別な目的は、前記抽出したモーションを保存できるモーション習得システムの制御方法およびその装置を提供することにある。   Another object of the present invention is to provide a control method and apparatus for a motion learning system capable of storing the extracted motion.

さらに、本発明の別な目的は、多自由度システムの効率的な統合モーションを実現して、位置と力のハイブリッドモーションの再現を行なうことができるモーション習得システムの制御方法およびその装置を提供することにある。   Furthermore, another object of the present invention is to provide a control method and apparatus for a motion learning system capable of realizing efficient integrated motion of a multi-degree-of-freedom system and reproducing position-force hybrid motion. There is.

上記課題を解決するために、ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した複数のロボットシステムの各アクチュエータに行なう第1のステップと、前記各アクチュエータへの外力の等価加速度と当該各アクチュエータの加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの外力の等価加速度と加速度応答に変換する第2のステップと、前記第2のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度と加速度応答とに基づいて、前記非干渉モードの各々に対応した対象物に対するモーションを抽出する第3のステップと、からなる。   In order to solve the above-mentioned problem, a first step of performing acceleration control to zero control rigidity while maintaining robustness on each actuator of a plurality of robot systems arranged corresponding to the degree of freedom of operation in real space; The equivalent acceleration of external force to each actuator and the acceleration response of each actuator are converted into the equivalent acceleration and acceleration response of external force in independent non-interfering mode defined by orthogonal coordinate system using mode queuing matrix And a third step of extracting a motion for the object corresponding to each of the non-interference modes based on the equivalent acceleration and acceleration response of the external force in the non-interference mode obtained in the second step. Steps.

上記制御方法においては、前記ロボットシステムがマスターシステムとスレーブシステムとにより構成され、前記第1のステップで、前記マスターシステムと前記スレーブシステムの各アクチュエータを、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御することが好ましい。   In the control method, the robot system includes a master system and a slave system, and the actuators of the master system and the slave system are controlled by bilateral control based on the acceleration control in the first step. It is preferable.

また、前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する第4のステップをさらに含むことが好ましい。   Moreover, it is preferable to further include a fourth step of storing the acceleration information converted into the non-interference mode.

また、前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を決定し、前記第4のステップで保存した加速度情報に基づく加速度目標値と、前記第2のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記比に基づき設定した前記非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出する第5のステップと、前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換する第6のステップと、をさらに含むことが好ましい。   Further, for each non-interference mode, a ratio of an acceleration response to an equivalent acceleration of external force in the non-interference mode is determined, an acceleration target value based on the acceleration information stored in the fourth step, and the second step A fifth step of calculating the acceleration reference value from the acceleration control system in the non-interference mode set based on the ratio, using the deviation from the equivalent acceleration or acceleration response of the external force in the non-interference mode obtained in Preferably, the method further includes a sixth step of converting an acceleration reference value in the non-interference mode into an acceleration reference value for each robot system using an inverse matrix of a mode quality matrix.

また、前記アクチュエータがリニアアクチュエータであることが好ましい。   The actuator is preferably a linear actuator.

本発明におけるモーション習得システムは、ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した複数のロボットシステムの各アクチュエータに行なう加速度制御手段と、前記各アクチュエータへの外力の等価加速度と当該各アクチュエータの加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの等価加速度と加速度応答に変換するモード加速度変換手段と、前記モード加速度変換手段で得た非干渉モードにおける等価加速度と加速度応答とに基づいて、前記非干渉モードの各々に対応した対象物に対するモーションを抽出するモーション抽出手段と、を備えている。   The motion acquisition system according to the present invention includes an acceleration control unit that performs acceleration control for making the control rigidity zero while maintaining robustness for each actuator of a plurality of robot systems arranged corresponding to the degree of freedom of operation in real space, A mode acceleration that converts the equivalent acceleration of external force to each actuator and the acceleration response of each actuator into an equivalent acceleration and acceleration response in the independent non-interference mode defined in the Cartesian coordinate system using a mode-quarty matrix. A conversion means; and a motion extraction means for extracting a motion for the object corresponding to each of the non-interference modes based on the equivalent acceleration and acceleration response in the non-interference mode obtained by the mode acceleration conversion means. Yes.

上記システムにおいては、前記ロボットシステムがマスターシステムとスレーブシステムとにより構成され、前記加速度制御手段は、前記マスターシステムと前記スレーブシステムの各アクチュエータを、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御するものであることが好ましい。   In the above system, the robot system includes a master system and a slave system, and the acceleration control means controls the actuators of the master system and the slave system by bilateral control based on the acceleration control. Preferably there is.

また、前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する記憶手段をさらに備えることが好ましい。   Moreover, it is preferable to further comprise storage means for storing acceleration information converted into the non-interference mode.

また、前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を決定し、前記記憶手段に保存される加速度情報に基づく加速度目標値と、前記モード加速度変換手段で得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記比に基づき設定した前記非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出するモード加速度算出手段と、前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換するモード加速度逆変換手段と、をさらに備えることが好ましい。   Further, for each non-interference mode, the ratio of the acceleration response to the equivalent acceleration of the external force in the non-interference mode is determined, the acceleration target value based on the acceleration information stored in the storage means, and the mode acceleration conversion means Mode acceleration calculation means for calculating an acceleration reference value from an acceleration control system in the non-interference mode set based on the ratio, using the obtained deviation from the equivalent acceleration or acceleration response of the external force in the non-interference mode as an input; and the mode It is preferable that the apparatus further includes a mode acceleration reverse conversion unit that converts an acceleration reference value in the non-interference mode into an acceleration reference value for each robot system using an inverse matrix of a quarry matrix.

また、前記アクチュエータがリニアアクチュエータであることが好ましい。   The actuator is preferably a linear actuator.

上記請求項1の方法および請求項6のシステムによれば、複数のロボットシステムの各アクチュエータに対して、ロバスト性を失うことなく制御剛性をゼロにする加速度制御が行なわれるので、環境との接触を伴う動作が実現できる。また、モードクオリー行列を用いて、人間の動作やタスクに基づく直交座標系の非干渉モードを新たに定義し、そこで各々が独立したモーションを抽出することが可能であるため、例えば人間の指に対応したモーションの抽出が容易になる。したがって、未知の実環境との安定した接触動作を確立すると共に、例えば人間の指のようなモーションを個々に抽出することができる。   According to the method of claim 1 and the system of claim 6, acceleration control is performed for each actuator of a plurality of robot systems so that the control rigidity is zero without losing robustness. The operation involving the can be realized. In addition, it is possible to newly define a non-interfering mode of the Cartesian coordinate system based on human movements and tasks using the mode queuing matrix, and each can extract independent motions. Extraction of motion corresponding to is easy. Therefore, a stable contact operation with an unknown real environment can be established, and motions such as human fingers can be extracted individually.

上記請求項2の方法および請求項7のシステムによれば、モーション抽出に際して特に重要な環境からの反作用力の抽出が可能になる。   According to the method of claim 2 and the system of claim 7, it is possible to extract a reaction force from an environment particularly important for motion extraction.

上記請求項3の方法および請求項8のシステムによれば、抽出したモーションを保存して、例えば非干渉モードに変換した加速度情報を別な場所で読み出すことが可能になる。   According to the method of claim 3 and the system of claim 8, it is possible to store the extracted motion and read acceleration information converted into, for example, the non-interference mode at another location.

上記請求項4の方法および請求項9のシステムによれば、先に抽出し保存した非干渉モードに変換した加速度情報を基に、同一若しくは別なロボットシステムで再現することができ、モーションの再現性が確保される。特に、非干渉モード毎に加速度次元で制御系を構成しているので、位置情報と力情報の統合が可能になっており、非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を1または0に設定すれば、個々の非干渉モード毎に位置次元若しくは力次元での再現が可能になり、それを実空間でのロボットシステムのモーションに反映させることができる。そのため、多自由度システムの効率的な統合モーションを実現して、位置と力のハイブリッドモーションの再現を行なうことができる。   According to the method of claim 4 and the system of claim 9, the motion information can be reproduced by the same or different robot system based on the acceleration information converted into the non-interference mode extracted and stored previously. Sex is secured. In particular, since the control system is configured in the acceleration dimension for each non-interference mode, position information and force information can be integrated, and the ratio of the acceleration response to the equivalent acceleration of external force in the non-interference mode is 1 or 0. If it is set to, reproduction in the position dimension or the force dimension becomes possible for each non-interference mode, and this can be reflected in the motion of the robot system in the real space. Therefore, efficient integrated motion of a multi-degree-of-freedom system can be realized and hybrid motion of position and force can be reproduced.

上記請求項5の方法および請求項10のシステムによれば、直線駆動を行なうリニアアクチュエータにより、摩擦の影響を機構的に除去できる。   According to the method of claim 5 and the system of claim 10, the influence of friction can be mechanically removed by the linear actuator that performs linear driving.

以下、添付図面に基づいて、本発明における好適な各実施例を詳細に説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

図1〜図10は、本発明の第1実施例を示すものである。先ず図1に基づき、本発明のモーション習得システムに適用可能な、モーションコントロールにおける加速度制御を実現したロボットシステムの一例を説明する。   1 to 10 show a first embodiment of the present invention. First, an example of a robot system that realizes acceleration control in motion control, which can be applied to the motion learning system of the present invention, will be described with reference to FIG.

同図において、1は外乱トルクを推定する対象として設けられ、エネルギーを動力に変換する可動可能なアクチュエータであり、これはリニアモータなどの駆動源に電流値iを入力することにより、実際の位置θに動作するものである。アクチュエータ1には、実際の位置θを電気的な位置信号に変換して検出出力するために、例えばリニアエンコーダなどの位置センサ2が装着される。 In the figure, reference numeral 1 denotes a movable actuator that is provided as a target for estimating disturbance torque and converts energy into motive power. This is the actual position by inputting a current value i to a drive source such as a linear motor. It operates at θ m . The actuator 1, in order to detect converts the actual location theta m into an electrical position signal, for example, the position sensor 2 such as a linear encoder is mounted.

一方、アクチュエータ1を制御する位置情報型の外乱オブザーバ11は、前記アクチュエータ1への指令値である電流値iを入力すると共に、位置θを擬似微分器12で擬似微分した値、即ち応答速度値^θ (以下、数式以外では、この推定値をあらわす「^」を、対応する記号の前に併記すると共に、1階の微分を「」,2階の微分を「・・」として便宜上あらわし、対応する記号の後に併記する。)を入力して、これらの各値から外乱トルクの推定値を出力するもので、実際には擬似微分器12と共に、コンピュータのソフトウェアなどで構成される。擬似微分器12は、前記位置信号を速度信号に変換するもので、位置θに対し擬似微分を施すことで、ノイズに対する感度を抑制した変換出力を得ることができる。外乱オブザーバ11は、前記アクチュエータ1と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記電流iをトルク(力)単位の第1信号に変換し、この第1信号と前記擬似微分器12からの応答速度^θ を微分して得た第2信号とを比較した第3信号を出力する逆モデル部14と、この逆モデル部14での微分の際にカットオフ周波数を設定することにより形成され、前記逆モデル部14から低周波帯域の成分の第3信号を取り出し、これを外乱トルクの推定値^τdisとして出力するローパスフィルタ15と、により構成される。また16は、前記外乱トルクの推定値^τdisを、目標となる電流参照値Irefと同じ単位の推定電流値Icmpに逆変換するトルク−電流変換手段であり、この推定電流値Icmpと電流参照値Irefとを加算器17で加算することで、アクチュエータ1に入力する前記電流値(電流指令値)iを算出するようにしている。これにより、図1の各構成からなる装置では、外部からアクチュエータ1に加わる外乱トルクτdisを除去することができる。なお、アクチュエータ1は位置信号を出力するものなので、便宜上2段の積分器(1/s)を通して、アクチュエータ1の出力(加速度θ ・・を2回積分して、実際の位置θを出力)としている。 On the other hand, a position information type disturbance observer 11 for controlling the actuator 1 inputs a current value i which is a command value to the actuator 1 and a value obtained by pseudo-differentiating the position θ m by the pseudo-differentiator 12, that is, a response speed. Value ^ θ · m (Hereinafter, except for mathematical formulas, “^” representing this estimated value is written before the corresponding symbol, and the first-order differentiation is “ · ”, and the second-order differentiation is “ ·· ”.) For the sake of convenience, and is also written after the corresponding symbol.) Is input, and the estimated value of the disturbance torque is output from each of these values. The Pseudo differentiator 12, converts the position signals to speed signals, by performing pseudo differential to position theta m, it is possible to obtain a conversion output which suppresses the sensitivity to noise. The disturbance observer 11 incorporates an inverse model equivalent to the actuator 1 and converts the current i into a first signal in units of torque (force). The first signal and the response speed ^ from the pseudo-differentiator 12 an inverse model unit 14 for outputting a third signal obtained by comparing the second signal obtained by differentiating θ m · , and setting a cutoff frequency upon differentiation in the inverse model unit 14; A low-pass filter 15 that extracts a third signal having a low frequency band component from the inverse model unit 14 and outputs the third signal as an estimated value ττ dis of the disturbance torque. Reference numeral 16 denotes torque-current conversion means for inversely converting the estimated value τ dis of the disturbance torque into an estimated current value I cmp in the same unit as the target current reference value I ref , and this estimated current value I cmp And the current reference value I ref are added by an adder 17 to calculate the current value (current command value) i input to the actuator 1. Thereby, in the apparatus having each configuration of FIG. 1, the disturbance torque τ dis applied to the actuator 1 from the outside can be removed. Since the actuator 1 outputs a position signal, the output of the actuator 1 (acceleration θ m ... Is integrated twice to output the actual position θ m through a two-stage integrator (1 / s) for convenience. ).

図1に示すロボットシステムは、モータに作用する各種外乱の影響を、外乱オブザーバ11で除去することにより、ロバストな加速度制御系を構築している。モータに作用する外乱トルクτdisは、次の数1であらわされる。 The robot system shown in FIG. 1 constructs a robust acceleration control system by removing the influence of various disturbances acting on the motor by the disturbance observer 11. Disturbance torque τ dis acting on the motor is expressed by the following equation ( 1).

ここで、図1および上記数1に記載されている各記号を説明すると、Irefは電流参照値であり、Jはモータ慣性であり、Kはトルク定数であり、θはモータ位置であり、記号の後にある添え字は公称(ノミナル)値を意味する。また、上記数1の右辺第1項は慣性変動トルク,第2項はトルク定数の変動によるトルクリプル,第3項のFはクーロン摩擦トルク,第4項のDθ は粘性摩擦トルク,第5項のτextは外力をあらわしている。 Here, each symbol described in FIG. 1 and Equation 1 will be described. I ref is a current reference value, J m is a motor inertia, K t is a torque constant, and θ m is a motor position. And the subscript n after the symbol means a nominal value. Further, the first term on the right side of Equation 1 is the inertia fluctuation torque, the second term is the torque ripple due to the fluctuation of the torque constant, the third term F c is the Coulomb friction torque, and the fourth term D m θ m · is the viscous friction torque. Τ ext in the fifth term represents an external force.

前記電流参照値Irefとモータ速度θ が、遮断周波数gpdを有する擬似微分器12によって検出可能であるとき、数1で定義される外乱トルクτdisは、図1に示す外乱オブザーバ11により、一次のローパスフィルタ15を通して次のように推定される。 When the current reference value I ref and the motor speed θ m · can be detected by the pseudo-differentiator 12 having the cutoff frequency g pd , the disturbance torque τ dis defined by the equation 1 is the disturbance observer 11 shown in FIG. Is estimated through the first-order low-pass filter 15 as follows.

但し、上記数2において、g*disは次のように表わせる。 However, in the above equation 2, g * dis can be expressed as follows.

この外乱トルクの推定値^τdisを、トルク−電流変換手段16で推定電流値Icmpに変換してフィードバックすることにより、外乱に対してロバストな制御系を有するロボットシステムを構築することができる。 By converting the estimated value τ dis of the disturbance torque into the estimated current value I cmp by the torque-current conversion means 16 and feeding back, a robot system having a control system robust to the disturbance can be constructed. .

図2は、図1に示すロボットシステムを等価的に表わしたものである。図1におけるロボットシステムは、図2のブロック21内に示された数式の感度関数により影響を受ける。つまり外乱オブザーバ11は、ロボットシステムに加わる外力のみを推定することが可能になる。なお22は、加速度参照値θ ・・refと推定した外乱トルクとの差が、加速度応答値θ ・・として出力されることを等価的に表わした減算器である。 FIG. 2 is an equivalent representation of the robot system shown in FIG. The robot system in FIG. 1 is affected by the sensitivity function of the mathematical formula shown in block 21 of FIG. That is, the disturbance observer 11 can estimate only the external force applied to the robot system. Note 22, the difference between the disturbance torque estimated acceleration reference value theta m · · ref is an equivalent representation of the subtracter to be outputted as an acceleration response value theta m · ·.

図2に示すように、上記外乱オブザーバ11に基づくロバスト制御系は、加速度次元でアクチュエータ1のモータを制御する加速度制御系になることがわかる。この図2において、外乱オブザーバ11の遮断周波数gdisを大きく設定することで、外乱トルクτdisの影響が除去されることがわかる。これによって、アクチュエータ1を構成するモータに対するロバスト加速度制御系が実現できる。 As shown in FIG. 2, it can be seen that the robust control system based on the disturbance observer 11 is an acceleration control system that controls the motor of the actuator 1 in the acceleration dimension. In FIG. 2, it can be seen that the influence of the disturbance torque τ dis is eliminated by setting the cutoff frequency g dis of the disturbance observer 11 to be large. Thereby, a robust acceleration control system for the motor constituting the actuator 1 can be realized.

ここで、本発明におけるモーションの抽出,保存,再現(これらを纏めて、「習得」という)システムにおいて、加速度制御系のロボットシステムを採用する理由を説明する。モーションコントロールの設計指標となるシステムの制御剛性について、アクチュエータ1の駆動力をfとし、位置をxとすると、当該制御剛性κは次のように定義できる。   Here, the reason why the acceleration control system robot system is employed in the motion extraction, storage, and reproduction (collectively, “learning”) system of the present invention will be described. With respect to the control stiffness of the system, which is a design index for motion control, when the driving force of the actuator 1 is f and the position is x, the control stiffness κ can be defined as follows.

上記数4によれば、位置制御と力制御の関係は次のように理解できる。 According to Equation 4, the relationship between position control and force control can be understood as follows.

理想的な位置制御では、位置xの変位が0になるため、制御剛性κは無限大となり、力fが有限値ならいくらでも良い、すなわち力fが不定になる。逆に理想的な力制御では、力fの変位が0になるため、制御剛性κは0となり、位置xが不定になる。 In ideal position control, since the displacement of the position x becomes 0, the control rigidity κ becomes infinite, and any amount can be used if the force f is a finite value, that is, the force f becomes indefinite. On the other hand, in ideal force control, the displacement of the force f is zero, so the control rigidity κ is zero and the position x is indefinite.

ヒューマンインタラクションのためのモーションコントロールでは、制御剛性κが0の柔らかい制御が望まれる。ロバスト性を失わずに制御剛性κを0にするには、アクチュエータ1に対する位置制御ループを外し、外乱オブザーバ11により定められた等価外乱をキャンセルする手法が広く知られている。この結果、本発明で採用するロボットシステムは、必然的に所望の加速度が実現される加速度制御系のものになる。   In motion control for human interaction, soft control with a control rigidity κ of 0 is desired. In order to reduce the control rigidity κ to 0 without losing the robustness, a method for removing the equivalent disturbance determined by the disturbance observer 11 by removing the position control loop with respect to the actuator 1 is widely known. As a result, the robot system employed in the present invention inevitably becomes an acceleration control system that realizes a desired acceleration.

次に、上記加速度制御系のロボットシステムを利用したモーション抽出の手法について説明する。ここでは、人間の多自由度モーションを抽出するためのロボットシステム群の統合的な制御手法として、インタラクションモード制御を導入する。このインタラクションモード制御では、従来の個々のシステムに対して制御系を構成する手法と異なり、ロボットシステム間の干渉のみを考慮し、非干渉化されたモード空間で制御系の構成を行なう。このロボットシステム間におけるモードは、後述するモードクオリー行列の導入により抽出することが可能である。   Next, a method of motion extraction using the acceleration control system robot system will be described. Here, interaction mode control is introduced as an integrated control method for a robot system group for extracting human multi-degree-of-freedom motion. In this interaction mode control, unlike the conventional method of configuring the control system for each individual system, only the interference between the robot systems is considered, and the control system is configured in a non-interfering mode space. The modes between the robot systems can be extracted by introducing a mode-queuing matrix to be described later.

また、ロボット群で達成すべきタスクを記述するためのタスクコードとして、ハイブリッド比という新たな制御指標を導入する。インタラクションモード制御では、全ての情報が加速度ベースで相互にやり取りされるため、それぞれのモード空間にハイブリッド比を任意に決定することで、直感的でフレキシブルな分散システム設計が可能になる。   In addition, a new control index called a hybrid ratio is introduced as a task code for describing tasks to be achieved by the robot group. In the interaction mode control, all information is mutually exchanged on an acceleration basis. Therefore, an intuitive and flexible distributed system design is possible by arbitrarily determining a hybrid ratio in each mode space.

ハイブリッド比の概念について説明すると、先ず、図1に示すような外乱オブザーバ11によって、ロボットシステムのロバスト性が確保されている場合、当該システムは図3に示すような加速度制御系に等価的に変換される。図3では、ロボットシステムへの入力は加速度参照値θ ・・refと他のロボットシステムからの加速度外乱θ・・extとなり、その偏差を減算器22が加速度応答値θ ・・として出力するように等価的に構成される。理想的な位置制御では、外力の影響を完全に抑圧するため、加速度参照値θ ・・refと加速度応答値θ ・・を等しい値に制御することが可能である。一方、理想的な力覚フィードバック制御(力制御)では、外力がシステムへ入力される指令値となるため、加速度外乱θ・・ extと加速度応答値θ ・・が等しくなる。ここで、加速度制御系における制御系設計の指標として導入されるハイブリッド比HRは、以下のように他システムによる加速度外乱θ・・ extが、加速度応答値θ ・・に及ぼす影響の割合として定義される。 The concept of the hybrid ratio will be explained. First, when the robustness of the robot system is ensured by the disturbance observer 11 as shown in FIG. 1, the system is equivalently converted into an acceleration control system as shown in FIG. Is done. In Figure 3, the input to the robot system is output as acceleration disturbance theta .. ext next, ... the deviation subtracter 22 acceleration response value theta m from another robot system and the acceleration reference value theta m ... ref Is equivalently configured. In the ideal position control, the acceleration reference value θ m ·· ref and the acceleration response value θ m ·· can be controlled to be equal to each other in order to completely suppress the influence of the external force. On the other hand, in the ideal force feedback control (force control), since the external force is a command value input to the system, the acceleration disturbance θ ·· ext and the acceleration response value θ m ·· are equal. Here, the hybrid ratio HR introduced as an index of control system design in the acceleration control system is defined as the ratio of the influence of the acceleration disturbance θ ·· ext by the other system on the acceleration response value θ m ·· as follows: Is done.

上記式によれば、理想的な位置制御ではハイブリッド比HRが0になり、理想的な力覚フィードバック制御ではハイブリッド比HRが1になる。提案するハイブリッド比HRと前記制御剛性κとの関係は、次の表1のようになる。 According to the above formula, the hybrid ratio HR is 0 in ideal position control, and the hybrid ratio HR is 1 in ideal force feedback control. The relationship between the proposed hybrid ratio HR and the control rigidity κ is as shown in Table 1 below.

次に、モードクオリー行列について説明すると、インタラクションモード制御は、複数のロボットシステム間の干渉についてのみ、制御を行なうものであるため、本実施例ではモードクオリー行列を用いて、直交座標系で定義される非干渉モードを抽出する。パラメータ変換手段であるモードクオリー行列を用いることにより、ロボットシステムの物理パラメータを、コンピュータ内で処理される仮想モード空間でのパラメータに変換することができる。モードクオリー行列Q(n=1〜5)は、例えば以下のように定義される。 Next, the mode quality matrix will be described. Since the interaction mode control controls only the interference between a plurality of robot systems, this embodiment uses a mode quality matrix in the orthogonal coordinate system. Extract the defined non-interference mode. By using a mode-queuing matrix that is a parameter conversion means, the physical parameters of the robot system can be converted into parameters in a virtual mode space processed in the computer. The mode quality matrix Q n (n = 1 to 5) is defined as follows, for example.

上記モードクオリー行列Qの次数はロボットシステム群で実現できるタスク自由度の数に一致する。そのため、例えば人間の指のモーションに対応した数のロボットシステムを用意した場合には、そのロボットシステムの数に一致した次数でモードクオリー行列Qが決定される。また、モードクオリー行列Qの性質として、当該モードクオリー行列Qとその転置行列の積は直交行列になるため、直交性を有することが確認できる。従って、個々のロボットごとに制御系を設計するのではなく、モードクオリー行列Qにより非干渉化された仮想の直交モード上で制御系を設計し、モードクオリー行列Qの逆行列である逆モードクオリー行列Q −1により、多自由度に構成される各ロボットシステムにおいて、加速度参照値θ ・・refを統合することが可能になる。 The degree of the mode queuing matrix Q n matches the number of task degrees of freedom that can be realized by the robot system group. For this reason, for example, when a number of robot systems corresponding to the motion of a human finger are prepared, the mode quality matrix Q n is determined with an order that matches the number of robot systems. Further, as the nature of the mode qualifiers over matrix Q n, a product of the mode qualifiers over matrix Q n and its transposed matrix to become orthogonal matrix it can be confirmed to have orthogonality. Thus, instead of designing a control system for each individual robot, the mode qualifiers over matrix Q n designed non-interference has been a control system in a virtual orthogonal mode on, the inverse matrix of the mode qualifiers over matrix Q n A certain inverse mode quality matrix Q n −1 makes it possible to integrate the acceleration reference values θ m ·· ref in each robot system configured with multiple degrees of freedom.

図4は、インタラクションモード制御の一般構造を示すブロック線図で、ここでは、モーション習得システムとして実現したインタラクションモード制御によるロボットシステム群の分散制御設計を表している。同図において、θ・・はロボットシステムの関節座標系における加速度を示す。また関節空間において、最初の添え字A〜Nは、各ロボットシステムの識別子をアルファベット順に表わし、2番目の添え字1〜Nは、各々のロボットシステム中におけるアクチュエータ1の識別子を数字順に表している。また、作業空間における添え字A〜Nは、各ロボットシステムの識別子に対応して付けられたものである。 FIG. 4 is a block diagram showing a general structure of the interaction mode control. Here, the distributed control design of the robot system group by the interaction mode control realized as the motion learning system is shown. In the figure, θ ·· indicates the acceleration in the joint coordinate system of the robot system. In the joint space, the first subscripts A to N represent the identifiers of the robot systems in alphabetical order, and the second subscripts 1 to N represent the identifiers of the actuators 1 in the respective robot systems in numerical order. . Further, the subscripts A to N in the work space are assigned corresponding to the identifiers of the robot systems.

図4において、一般的な関節動作を行なうN個のロボットシステムは、各々が一乃至複数のアクチュエータ1を備えて、実空間である関節空間に配置される。また、ここには図示していないが、それぞれのアクチュエータ1は、前記図3に示すようなロバスト加速度制御系を実現するために、擬似微分器12やトルク−電流変換手段16を含む外乱オブザーバ11が設けられる。また、各アクチュエータ1の加速度応答値θ・・resと他のロボットシステムからの加速度外乱θ・・extは、加速度変換手段25,26により、ヤコビ行列を用いて作業空間における加速度x・・に変換できるようになっている。ここで、第1の加速度変換手段25は、一つのロボットシステムを構成する各アクチュエータ1への加速度外乱θ・・extを取り込んで、作業空間における加速度外乱x・・extに変換する。また別な第2の加速度変換手段26は、一つのロボットシステムを構成する各アクチュエータ1からの加速度応答値θ・・resを取り込んで、作業空間における加速度応答値x・・resに変換する。好ましくは、前記加速度外乱θ・・extを、擬似微分器12を含む外乱オブザーバ11で推定して得ることにより、各アクチュエータ1において力覚センサレスを実現して、システム構成を簡素化することができる。また、アクチュエータ1からの加速度応答値θ・・resも、前述した位置センサ2からの検出信号を、微分器(図示せず)で2回微分するなどして取得することができる。 In FIG. 4, N robot systems that perform general joint motion are each provided with one to a plurality of actuators 1 and arranged in a joint space that is a real space. Although not shown here, each actuator 1 includes a disturbance observer 11 including a pseudo-differentiator 12 and a torque-current conversion means 16 in order to realize a robust acceleration control system as shown in FIG. Is provided. The acceleration disturbance theta · · ext from · · res and another robot system acceleration response values theta for each actuator 1 conversion, by the acceleration conversion means 25 and 26, the acceleration x · · in the work space using the Jacobian matrix It can be done. Here, the first acceleration converting means 25 takes in the acceleration disturbance θ ·· ext to each actuator 1 constituting one robot system and converts it into the acceleration disturbance x ·· ext in the work space. Another second acceleration conversion means 26 takes in the acceleration response values θ ·· res from the actuators 1 constituting one robot system and converts them into acceleration response values x ·· res in the work space. Preferably, the acceleration disturbance θ ·· ext is estimated and obtained by a disturbance observer 11 including a pseudo-differentiator 12, thereby realizing a force sensorless in each actuator 1 and simplifying the system configuration. . The acceleration response value θ ·· res from the actuator 1 can also be obtained by differentiating the detection signal from the position sensor 2 described above twice with a differentiator (not shown).

27,28は、前述したモードクオリー行列Qを記憶保存するモード加速度変換手段である。当該モード加速度変換手段27,28は、前記加速度変換手段25,26により得られた加速度応答値x・・refを受けて、作業空間におけるロボットシステム群の干渉を抽出し、内蔵するモードクオリー行列Qを利用して、直交モード空間における非干渉な加速度m・・に変換し出力するものである。具体的には、第1のモード加速度変換手段27は、第1の加速度変換手段25でそれぞれ得た作業空間における加速度外乱x・・extを、モード空間における加速度外乱m・・extに変換する。また、第2のモード加速度変換手段28は、第2の加速度変換手段26でそれぞれ得た作業空間における加速度応答値x・・resを、モード空間における加速度応答値m・・resに変換する。こうして得られたモード空間の加速度外乱m・・extや加速度応答値m・・resは、ロボットシステムの数に対応した複数の独立したモードの加速度情報として、後述するインタラクションモード制御部31に出力されると共に、好ましくはコンピュータの記憶手段30に記憶保存される。 Reference numerals 27 and 28 denote mode acceleration conversion means for storing and storing the above-described mode quality matrix Qn. The mode acceleration conversion means 27, 28 receives the acceleration response values x ·· ref obtained by the acceleration conversion means 25, 26, extracts the interference of the robot system group in the work space, and has a built-in mode quarry matrix by using Q n, it is to be converted into non-interfering acceleration m · · output in the orthogonal mode space. Specifically, the first mode acceleration conversion means 27 converts the acceleration disturbance x ·· ext in the work space obtained by the first acceleration conversion means 25 into the acceleration disturbance m ·· ext in the mode space. The second mode acceleration conversion means 28 converts the acceleration response value x ·· res in the work space obtained by the second acceleration conversion means 26 into the acceleration response value m ·· res in the mode space. The acceleration disturbance m ·· ext and the acceleration response value m ·· res obtained in this way are output to the interaction mode control unit 31 described later as acceleration information of a plurality of independent modes corresponding to the number of robot systems. And preferably stored in the storage means 30 of the computer.

31は、モード空間における加速度外乱m・・ext,加速度応答値m・・res,加速度目標値m・・cmd,およびタスクコードを入力として、モード空間でのモーションの抽出やロボットシステムによるモーションの再現を行なえるように、個々のモード空間における加速度参照値m・・refを生成するインタラクションモード制御部である。また32は、コンピュータ内で設定されるタスクコマンドを受けて、前述した外力の等価加速度と加速度応答との比を定義する所望のハイブリッド比HRを、インタラクションモード制御部31が設定した個々のモード空間毎に決定し、これをタスクコードとしてインタラクションモード制御部31に出力するハイブリッド比決定手段である。ハイブリッド比決定手段32は、例えば図示しない操作手段により、後述する「抽出モード」を選択した旨のタスクコマンドを受けると、実際のロボットシステムの構成を考慮したハイブリット比を決定し、後述する「再現モード」を選択した旨のタスクコマンドを受けると、前記モードクオリー行列Qで規定される所望のモード空間に対応したハイブリッド比を決定して、その何れかのハイブリッド比に対応したタスクコードを生成するようになっている。 31 is an input of acceleration disturbance m ·· ext , acceleration response value m ·· res , acceleration target value m ·· cmd and task code in the mode space, and motion extraction in the mode space and reproduction of motion by the robot system The interaction mode control unit generates the acceleration reference value m ·· ref in each mode space. Reference numeral 32 denotes an individual mode space in which the interaction mode control unit 31 sets a desired hybrid ratio HR that defines the ratio between the equivalent acceleration of the external force and the acceleration response in response to a task command set in the computer. It is a hybrid ratio determining means that determines each time and outputs the result as a task code to the interaction mode control unit 31. When the hybrid ratio determining unit 32 receives a task command indicating that an “extraction mode” to be described later is selected by an operating unit (not shown), for example, the hybrid ratio determining unit 32 determines a hybrid ratio considering the configuration of the actual robot system, When a task command indicating that “mode” has been selected is received, a hybrid ratio corresponding to a desired mode space defined by the mode-queuing matrix Q n is determined, and a task code corresponding to any one of the hybrid ratios is determined. It is designed to generate.

さらに33は、インタラクションモード制御部31で得られた各モードの加速度参照値m・・refを、作業空間における加速度参照値x・・refに逆変換する逆モードクオリー行列Q −1を備えたモード加速度逆変換手段である。このモード加速度逆変換手段33で得られた作業空間における加速度参照値x・・refは、ロボットシステムの数に対応して設けた逆ヤコビ行列を有する加速度逆変換手段34によって、関節空間における加速度参照値θ・・refに逆変換され、各アクチュエータ1に出力される。これにより、インタラクションモード制御部31から出力される各モードの加速度参照値m・・refに基づいて、実空間に配置した各ロボットシステムでモーションを再現させることが可能になる。 Further, 33 includes an inverse mode quality matrix Q n −1 for inversely transforming the acceleration reference value m ·· ref of each mode obtained by the interaction mode control unit 31 into an acceleration reference value x ·· ref in the work space. Mode acceleration reverse conversion means. The acceleration reference value x ·· ref in the work space obtained by the mode acceleration inverse conversion means 33 is referred to the acceleration reference value in the joint space by the acceleration inverse conversion means 34 having an inverse Jacobian matrix provided corresponding to the number of robot systems. It is converted back to the value θ ·· ref and output to each actuator 1. Thereby, based on the acceleration reference value m ·· ref of each mode output from the interaction mode control unit 31, it is possible to reproduce the motion in each robot system arranged in the real space.

なお、アクチュエータ1を除く各部の構成は、何れもコンピュータの処理手段として設けられる。したがって、図4に示す各ブロック構成は、理解を容易にするために機能的に区画されたに過ぎず、処理手段に同等の機能を備えてあれば、全て本発明の範疇に含まれる。   Note that all the components except the actuator 1 are provided as computer processing means. Therefore, each block configuration shown in FIG. 4 is only functionally partitioned for easy understanding, and any processing unit having an equivalent function is included in the scope of the present invention.

上述した各構成において、モード加速度変換手段27,28で変換されたモード空間の加速度m・・は、モードクオリー行列Qの性質として直交座標系で表現されるため、それぞれのモード空間で独立な制御系の設計が可能となる。即ち、所望のタスクに応じたハイブリッド比HRをモード空間ごとに実現することができるため、各モードのハイブリッド比HRをまとめたものを、前記ハイブリッド比決定手段32でタスクコードとして対応付けることができる。個々のモード空間で生成される加速度参照値m・・refは、モード加速度逆変換手段33に用意された逆モードクオリー行列Q −1により、各ロボットシステムの加速度参照値θ・・refとして統合され実現される。従って、ここでのインタラクションモード制御部31によるインタラクションモード制御は、ヤコビ行列を用いたロボットの運動学と同様に、モードクオリー行列Qによる新たな直交モード座標変換手法として、ロボットシステム群のモーション統合を実現できる。 In each configuration described above, the acceleration m ·· of the mode space converted by the mode acceleration conversion means 27 and 28 is expressed in the orthogonal coordinate system as the property of the mode quarantine matrix Q n , and therefore independent in each mode space. It is possible to design a simple control system. In other words, since the hybrid ratio HR corresponding to the desired task can be realized for each mode space, the hybrid ratio HR of each mode can be associated as a task code by the hybrid ratio determining means 32. The acceleration reference value m ·· ref generated in each mode space is obtained as an acceleration reference value θ ·· ref of each robot system by an inverse mode queuing matrix Q n -1 prepared in the mode acceleration inverse conversion means 33. Integrated and realized. Thus, the interaction mode control by interaction mode control unit 31 here is similar to the kinematics of the robot using Jacobian matrix, as a new orthogonal mode coordinate conversion method according to mode qualifiers over matrix Q n, motion of the robot system group Integration can be realized.

次に、上記インタラクションモード制御に基づき、人間の物体把持モーションの抽出と再現を行なう各手法について説明する。操作物を人間の指とした場合、モードクオリー行列Qの次数は、再現可能な人間の指の本数に対応するため、独立したモード空間において、容易に人間のスキルドモーションの取得および解析を行なうことができる。ここでは、前記モード空間に人間のモーション情報を抽出し、保存するための「抽出モード」と、前記保存情報とタスクコードに基づいてモーションの再現を行なう「再現モード」について、その一連の動作を説明する。 Next, each method for extracting and reproducing a human object gripping motion based on the above interaction mode control will be described. When the operation object is a human finger, the order of the mode queuing matrix Q n corresponds to the number of human fingers that can be reproduced, so that human skilld motion can be easily acquired and analyzed in an independent mode space. Can be performed. Here, a series of operations of “extraction mode” for extracting and storing human motion information in the mode space and “reproduction mode” for reproducing motion based on the storage information and task code are described. explain.

図5は、図4に示す装置構成を実現する実験装置の一例である。ここでの実験装置は、インタラクションモード制御を3体のリニアモータシステムに適用する。したがって、人間の親指,人差し指,中指の3本の指に対応したモーションの抽出と再現が可能になる。図5の実験装置では、実空間に配置される3つの各ロボットシステムA,B,Cに、摩擦の影響を機構的に除去することが可能なロッド型のリニアアクチュエータを採用する。これは、基台42に対して水平方向に可動可能なロッド状の可動部43を備えたリニアモータ44として配設される。また、46は前記位置センサ2に相当するリニアエンコーダである。なお、各アクチュエータの詳細パラメータは、次の表2のように設定した。実験でのサンプリングタイムは、100μsに設定している。   FIG. 5 is an example of an experimental apparatus for realizing the apparatus configuration shown in FIG. The experimental device here applies the interaction mode control to the three linear motor systems. Therefore, it is possible to extract and reproduce motion corresponding to the three fingers of the human thumb, index finger, and middle finger. In the experimental apparatus of FIG. 5, a rod-type linear actuator capable of mechanically removing the influence of friction is adopted for each of the three robot systems A, B, and C arranged in the real space. This is arranged as a linear motor 44 having a rod-shaped movable portion 43 that is movable in the horizontal direction with respect to the base 42. Reference numeral 46 denotes a linear encoder corresponding to the position sensor 2. Detailed parameters of each actuator were set as shown in Table 2 below. The sampling time in the experiment is set to 100 μs.

図5において、47は各ロボットシステムA,B,Cの可動部43先端に支持された対象物である。ここでは、ロボットシステムA,B,Cを3本の指に見立てて、ロボットシステムAの各可動部43と、ロボットシステムB,Cの可動部43で、対象物47を両側から把持している。 In FIG. 5, reference numeral 47 denotes an object supported at the tip of the movable part 43 of each robot system A, B, C. Here, the robot systems A, B, and C are regarded as three fingers, and the object 47 is grasped from both sides by the movable parts 43 of the robot system A and the movable parts 43 of the robot systems B and C. .

このように構成されたシステムは3自由度を有するために、それぞれのアクチュエータの加速度応答値x・・refと加速度外乱x・・extは、モード加速度変換手段27,28の3次のモードクオリー行列Qを用いて、次の数8や数9に示すモード座標上の加速度応答値m・・resと加速度外乱m・・extに変換できる。 Since the system configured in this way has three degrees of freedom, the acceleration response values x ·· ref and acceleration disturbance x ·· ext of each actuator are the third-order mode qualities of the mode acceleration conversion means 27 and 28, respectively. The matrix Q 3 can be used to convert acceleration response values m ·· res and acceleration disturbances m ·· ext on the mode coordinates shown in the following equations (8) and (9).

ここで、x ・・(i=A〜C)は、それぞれのロボットシステムA〜Cにおける加速度を示し、m ・・(i=1〜3)は、モード空間における加速度をあらわす。図6に示すように、上記モードクオリー行列Qを用いて、ロボットシステムA〜Cにおける加速度x ・・res,x ・・extを、それぞれモード空間における加速度m ・・res,m ・・extに変換することで、第1モードである重心位置(center of gravity:COG),第2モードであるヨーイング,第3モードである内部の独立した3個のモードに変換できる。このようなモードに変換した理由は、人間の3指を考えた場合、そのモーションは、対象物47の重心を動かすアクチュエータ,対象物47を遥動回転するアクチュエータ,および対象物47を把持するアクチュエータの独立した3モードに分解できることに基づいている。操作物が物体把持タスクである場合、個々のモードは、移動タスク,回転タスク,把持タスクに対応することになる。したがって、モード空間で定義される仮想のアクチュエータ(タスク)は、考慮すべき操作物に応じて、上記COG,ヨーイング,内部動作以外のものを設定してもよく、その場合、コンピュータ内で設定される独立したモードは2つ以上あればよい。 Here, x i ·· (i = A~C ) shows the acceleration in each of the robotic system A~C, m i ·· (i = 1~3) represents acceleration in the modal space. As shown in FIG. 6, using the mode qualifier chromatography matrix Q 3, the acceleration x i · · res in the robot system A through C, x i a · · ext, acceleration m i · · res in the respective mode space, m By converting to i ·· ext , the center of gravity (COG) as the first mode, the yawing as the second mode, and the three independent modes inside as the third mode can be converted. The reason for the conversion to such a mode is that when three human fingers are considered, the motion is an actuator that moves the center of gravity of the target object 47, an actuator that rotates the target object 47, and an actuator that grips the target object 47. It can be decomposed into three independent modes. When the operation article is an object gripping task, each mode corresponds to a movement task, a rotation task, and a gripping task. Therefore, virtual actuators (tasks) defined in the mode space may be set other than the above-mentioned COG, yawing, and internal operation according to the operation object to be considered. There may be two or more independent modes.

抽出モードと再現モードの切り換えは、ハイブリッド比を統合したタスクコードにより実現することができる。すなわち、タスクコマンドにより、抽出モードと再現モードの何れか一方を指示すると、ハイブリッド比決定手段32はそれぞれのモード毎に異なる値のハイブリッド比を、統合したタスクコードとしてインタラクションモード制御部31に出力するようになっている。上記3体のロボットシステムA〜Cのタスクコードは以下のように定義できる。   Switching between the extraction mode and the reproduction mode can be realized by a task code integrated with a hybrid ratio. That is, when any one of the extraction mode and the reproduction mode is instructed by a task command, the hybrid ratio determining unit 32 outputs a hybrid ratio having a different value for each mode to the interaction mode control unit 31 as an integrated task code. It is like that. The task codes of the three robot systems A to C can be defined as follows.

図7は、インタラクションモード制御に基づく人間の物体把持モーションの抽出および再現制御を実現するモーション習得システムのブロック線図を示しており、前記図4と同一箇所には同一の符号を付記している。ここで用いる実験装置は、ロボットシステムA〜Cの駆動源として、それぞれリニアモータを用いた1自由度のシステムであるため、図4で示した作業空間と関節空間が等しいものとなっている。したがって、このようなシステムでは、図4に示すような加速度変換手段25,26や加速度逆変換手段34は不要であり、関節空間に設置した各ロボットシステムA〜Cの加速度外乱x・・extが、第1のモード加速度変換手段27に直接入力され、各ロボットシステムA〜Cの加速度応答値x・・resが、第2のモード加速度変換手段28に直接入力される。また、モード空間において生成される加速度参照値m・・refは、モード加速度逆変換手段33により逆モードクオリー行列Q −1を利用して関節空間における加速度参照値x・・refに変換され、各ロボットシステムA〜Cのアクチュエータ1へ分配,統合される。 FIG. 7 shows a block diagram of a motion learning system that realizes extraction and reproduction control of human object gripping motion based on interaction mode control, and the same parts as those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals. . Since the experimental apparatus used here is a one-degree-of-freedom system using a linear motor as a drive source for the robot systems A to C, the work space shown in FIG. 4 and the joint space are the same. Therefore, in such a system, the acceleration conversion means 25 and 26 and the reverse acceleration conversion means 34 as shown in FIG. 4 are unnecessary, and the acceleration disturbance x ·· ext of each robot system A to C installed in the joint space is The acceleration response values x ·· res of the robot systems A to C are directly input to the second mode acceleration conversion means 28. Further, the acceleration reference value m ·· ref generated in the mode space is converted into the acceleration reference value x ·· ref in the joint space by the mode acceleration inverse conversion means 33 using the inverse mode quality matrix Q 3 -1. , Distributed and integrated to the actuators 1 of the robot systems A to C.

さらに、この図7において、51はハイブリッド比決定手段32で決定されるハイブリッド比ひいてはタスクコードに応じて、モード加速度変換手段27,28で変換されたモード空間の加速度参照値m・・refまたは加速度外乱m・・extのいずれか一方を、モード空間の各単位毎にインタラクションモード制御部31に送り出すタスクコード選択手段である。インタラクションモード制御部31は、各モード空間毎の加速度目標値m・・cmdから、加速度参照値m・・refまたは加速度外乱m・・extのいずれか一方を減算する減算器52A〜52Cと、前記各モード空間毎に得られた減算器52A〜52Cの算出結果に、内蔵する伝達要素C(s)〜C(s)を乗算して、モード空間における加速度参照値m・・refを算出する積算手段53A〜53Cと、を備えている。 Further, in FIG. 7, reference numeral 51 denotes an acceleration reference value m ·· ref or acceleration of the mode space converted by the mode acceleration conversion means 27 and 28 in accordance with the hybrid ratio determined by the hybrid ratio determination means 32 and the task code. This is task code selection means for sending one of the disturbances m ·· ext to the interaction mode control unit 31 for each unit of the mode space. The interaction mode control unit 31 includes subtractors 52A to 52C that subtract one of the acceleration reference value m ·· ref or acceleration disturbance m ·· ext from the acceleration target value m ·· cmd for each mode space, The acceleration reference value m ·· ref in the mode space is calculated by multiplying the calculation results of the subtractors 52A to 52C obtained for each mode space by the built-in transfer elements C 1 (s) to C 3 (s). Integrating means 53A to 53C.

上記構成において、抽出モードでは3体のロボットシステムA〜Cが人間の操作入力に従って動作を行なうため、人間からの反作用力を制御する必要がある。そのため、抽出モードを選択した旨のタスクコマンドをハイブリッド比決定手段32に出力すると、当該ハイブリッド比決定手段32は、前述した3つの非干渉モードにおいて、それぞれのハイブリッド比HRを理想的な力制御とする1に設定する。このときのタスクコードは以下のようになる。   In the above configuration, in the extraction mode, the three robot systems A to C operate in accordance with human operation input, so it is necessary to control the reaction force from the human. Therefore, when a task command indicating that the extraction mode has been selected is output to the hybrid ratio determining unit 32, the hybrid ratio determining unit 32 sets the respective hybrid ratios HR to ideal force control in the three non-interference modes described above. Set to 1. The task code at this time is as follows.

また、上記数11で表わされるタスクコードを実現するために、モード空間における制御系の各伝達要素C(s)(i=1〜3)を、以下のような力サーボとして構成設定する。なお、ここでKfi(i=1〜3)は力サーボゲインである。 Further, in order to realize the task code represented by Equation 11, each transfer element C i (s) (i = 1 to 3) of the control system in the mode space is configured as a force servo as follows. Here, K fi (i = 1 to 3) is a force servo gain.

それと共に、ハイブリッド比決定手段32は、各モードのハイブリッド比HRが何れも1であることから、第1のモード加速度変換手段27で変換された各モードの加速度外乱m ・・ext,m ・・ext,m ・・extが、インタラクションモード制御部31に入力されるように、タスクコード選択手段51を制御する。抽出モードでは、各モード空間毎の加速度目標値m ・・cmd,m ・・cmd,m ・・cmdが0であることから、インタラクションモード制御部31は、前記各モードの加速度外乱m ・・ext,m ・・ext,m ・・extと、数12で記述された力サーボのゲインとを掛け合わせて、モード空間における加速度参照値m ・・ref,m ・・ref,m ・・refを算出する。この加速度参照値m ・・ref,m ・・ref,m ・・refは、モード加速度逆変換手段33における逆モードクオリー行列Q −1によって、関節空間における加速度参照値x・・refに逆変換され、各アクチュエータ1に分配される。各アクチュエータ1の加速度参照値は、前記外乱オブザーバに基づくロバスト制御系により実現される。 At the same time, since the hybrid ratio HR of each mode is 1, the hybrid ratio determining means 32 is acceleration disturbance m 1 ·· ext , m 2 of each mode converted by the first mode acceleration converting means 27. .. , M 3 ... The task code selection means 51 is controlled so that ext is input to the interaction mode control unit 31. In the extraction mode, since the acceleration target values m 1 ·· cmd , m 2 ·· cmd , m 3 ·· cmd for each mode space are 0, the interaction mode control unit 31 determines the acceleration disturbance m in each mode. 1 ·· ext , m 2 ·· ext , m 3 ·· ext is multiplied by the gain of the force servo described in Equation 12 to obtain the acceleration reference value m 1 ·· ref , m 2 ··· in the mode space. ref , m 3 .. ref is calculated. The acceleration reference value m 1 ·· ref, m 2 ·· ref, m 3 ·· ref is the reverse mode qualifiers over matrix Q 3 -1 in the mode acceleration inverse transformation means 33, an acceleration reference value x · · in the joint space It is converted back to ref and distributed to each actuator 1. The acceleration reference value of each actuator 1 is realized by a robust control system based on the disturbance observer.

図8は、抽出モードでの実験結果を示したものである。人間が親指,人差し指,中指の3本の指を用いて、3体のロボットシステムA〜Cに力を加えて操作し、物体(対象物)を把持しながら搬送動作を行っている。このときの各ロボットシステムA〜Cにおける時間−位置の特性を、図8(a)〜(c)に示す。また、モードクオリー行列Qを用いて変換されたモード空間における時間−位置応答の特性を、図8(d)〜(f)に示す。なお、モード1は重心位置(COG),モード2はヨーイング,モード3は内部の各動作を意味する。モード空間における実験結果より、先にモード1の位置応答が大きく変位し、次にモード2の位置応答が大きく変位していることから、人間がまずCOG動作を行ない、続いてヨーイング動作を行っていることが確認できる。また,全てのモードにおいてハイブリッド比HRは1に設定されているため、人間の力覚フィードバック制御が実現され、モード空間におけるモーションが抽出できる。 FIG. 8 shows the experimental results in the extraction mode. A human uses three fingers, the thumb, forefinger, and middle finger, to apply force to the three robot systems A to C to perform a transport operation while gripping an object (object). The time-position characteristics of the robot systems A to C at this time are shown in FIGS. In addition, the characteristics of the time-position response in the mode space transformed using the mode queuing matrix Q n are shown in FIGS. Mode 1 means the center of gravity (COG), mode 2 means yawing, and mode 3 means internal operations. From the experimental results in the mode space, the position response of mode 1 is largely displaced first, and then the position response of mode 2 is largely displaced. Therefore, humans first perform the COG operation, and then perform the yawing operation. It can be confirmed. Also, since the hybrid ratio HR is set to 1 in all modes, human force feedback control is realized, and motion in the mode space can be extracted.

また、この抽出モードでは、モード加速度変換手段27,28で得られたモード空間の加速度情報である加速度外乱m・・extや加速度応答値m・・resを、記憶手段30に記憶保存することができる。これにより、モード空間で抽出したモーションを加速度次元で記憶保存することができる。なお記憶手段30は、前記加速度外乱m・・extや加速度応答値m・・resと、ハイブリッド決定手段32で決定されるハイブリッド比HRとに基づいて、インタラクションモード制御部31で得られる個々のモード空間における位置応答や力応答を、非干渉モードに変換した加速度情報として保存するようにしてもよい。 In this extraction mode, the acceleration disturbance m ·· ext and the acceleration response value m ·· res , which are the acceleration information of the mode space obtained by the mode acceleration conversion means 27 and 28, can be stored in the storage means 30. it can. Thereby, the motion extracted in the mode space can be stored and saved in the acceleration dimension. The storage means 30 stores the individual modes obtained by the interaction mode control unit 31 based on the acceleration disturbance m ·· ext , the acceleration response value m ·· res, and the hybrid ratio HR determined by the hybrid determination means 32. You may make it preserve | save the position response and force response in space as acceleration information converted into non-interference mode.

一方、再現モードでは、各ロボットシステムA〜Cが自動的に物体を把持しながら、抽出モードで抽出したモーションを記憶手段30から読み出して、これを各ロボットシステムA〜Cで再現することができる。ここでは、再現モードを選択した旨のタスクコマンドをハイブリッド比決定手段32に出力すると、当該ハイブリッド比決定手段32は、前述した3つの非干渉モードにおいて、モード1とモード2に対するハイブリッド比HRを0とし、モード3に対するハイブリッド比HRを1に設定する。その理由は、モード1の重心モードとモード2のヨーイングモードに関しては、位置次元の再現を行ない、モード3の内部モードに関しては、力次元の再現を行なう必要があるからである。このときのタスクコードは以下のようになる。   On the other hand, in the reproduction mode, each robot system A to C automatically grasps an object, and the motion extracted in the extraction mode is read from the storage means 30 and can be reproduced by each robot system A to C. . Here, when a task command indicating that the reproduction mode has been selected is output to the hybrid ratio determining means 32, the hybrid ratio determining means 32 sets the hybrid ratio HR for mode 1 and mode 2 to 0 in the three non-interference modes described above. And the hybrid ratio HR for mode 3 is set to 1. This is because it is necessary to reproduce the position dimension for the gravity center mode of mode 1 and the yawing mode of mode 2 and to reproduce the force dimension for the internal mode of mode 3. The task code at this time is as follows.

また、上記数13で表わされるタスクコードを実現するために、モード空間における加速度制御系の各伝達要素C(s)(i=1〜3)を、以下のように設定する。 Further, in order to realize the task code represented by Equation 13, the transmission elements C i (s) (i = 1 to 3) of the acceleration control system in the mode space are set as follows.

なお、上記数14でKpi(i=1,2)は位置制御ゲインであり、Kvi(i=1,2)は速度制御ゲインである。また、Kf3は内力制御モードにおける力サーボゲインである。 In Equation 14, K pi (i = 1, 2) is a position control gain, and K vi (i = 1, 2) is a speed control gain. K f3 is a force servo gain in the internal force control mode.

それと共に、ハイブリッド比決定手段32は、モード1,2のハイブリッド比HRが共に0で、モード3のハイブリッド比HRが1であることから、第2のモード加速度変換手段28で変換されたモード1,2の加速度応答値m ・・res,m ・・resと、第1のモード加速度変換手段27で変換されたモード3の加速度応答値m ・・extが、インタラクションモード制御部31の減算器52A〜52Cに各々入力されるように、タスクコード選択手段51を制御する。再現モードでは、記憶手段30で保存記憶される加速度情報から得たモード空間毎の加速度目標値m ・・cmd,m ・・cmd,m ・・cmdが、インタラクションモード制御部31の減算器52A〜52Cに各々入力され、インタラクションモード制御部31は、各減算器52A〜52Cからの算出結果を、前記数14で記述された伝達要素C(s)(i=1〜3)とそれぞれ掛け合わせて、モード空間における加速度参照値m ・・ref,m ・・ref,m ・・refを算出する。この加速度参照値m ・・ref,m ・・ref,m ・・refは、モード加速度逆変換手段33における逆モードクオリー行列Q −1によって、関節空間における加速度参照値x・・refに逆変換され、各アクチュエータ1に分配される。各アクチュエータ1の加速度参照値は、前記外乱オブザーバに基づくロバスト制御系により実現される。 At the same time, since the hybrid ratio HR of the modes 1 and 2 is both 0 and the hybrid ratio HR of the mode 3 is 1, the hybrid ratio determining means 32 is the mode 1 converted by the second mode acceleration converting means 28. , 2 acceleration response values m 1 ..res , m 2 ..res and the mode 3 acceleration response values m 3 ..ext converted by the first mode acceleration conversion means 27 are obtained by the interaction mode control unit 31. The task code selection means 51 is controlled so as to be input to the subtracters 52A to 52C. In the reproduction mode, the acceleration target values m 1 ·· cmd , m 2 ·· cmd , m 3 ·· cmd for each mode space obtained from the acceleration information stored and stored in the storage means 30 are subtracted by the interaction mode control unit 31. The interaction mode control unit 31 inputs the calculation results from the subtractors 52A to 52C to the transfer element C i (s) (i = 1 to 3) described in the above equation 14, respectively. The acceleration reference values m 1 ·· ref , m 2 ·· ref , m 3 ·· ref in the mode space are calculated by multiplying them respectively. The acceleration reference value m 1 ·· ref, m 2 ·· ref, m 3 ·· ref is the reverse mode qualifiers over matrix Q 3 -1 in the mode acceleration inverse transformation means 33, an acceleration reference value x · · in the joint space It is converted back to ref and distributed to each actuator 1. The acceleration reference value of each actuator 1 is realized by a robust control system based on the disturbance observer.

本実施例で提案した手法の有効性を確認するために、従来の位置制御による再現実験と、インタラクションモード制御による再現実験との比較を行った。従来の位置制御による再現結果を図9に示す。図9(a)〜(c)は、各ロボットシステムA〜Cにおける時間−位置の特性を示しており、図9(d)〜(f)は、モードクオリー行列によって得られたモード空間における時間−位置応答の特性を示している。さらに図9(g)は、内力モードの時間−力応答を示している。これらの結果より、位置応答に関しては、各ロボットシステムA〜Cにおける位置サーボによって、再現誤差はほぼ0になっていることが分かる。しかし、内力の値に関しては不定であるため、把持モーションの再現に関しては保証がされていない(図9(g)参照)。そのため、従来の位置制御のみでは人間のモーションを再現することができない。   In order to confirm the effectiveness of the method proposed in this embodiment, a reproduction experiment using the conventional position control and a reproduction experiment using the interaction mode control were compared. The reproduction result by the conventional position control is shown in FIG. FIGS. 9A to 9C show the time-position characteristics in each of the robot systems A to C, and FIGS. 9D to 9F are diagrams in the mode space obtained by the mode-quarty matrix. The time-position response characteristics are shown. Further, FIG. 9G shows the time-force response in the internal force mode. From these results, it can be seen that the position error is almost zero due to the position servo in each of the robot systems A to C. However, since the value of the internal force is indefinite, the reproduction of the gripping motion is not guaranteed (see FIG. 9 (g)). Therefore, human motion cannot be reproduced only by conventional position control.

一方、提案するインタラクションモード制御による再現結果を図10に示す。図10(a)〜(c)は、各ロボットシステムA〜Cにおける時間−位置の特性を示しており、図10(d)〜(f)は、モードクオリー行列によって得られたモード空間における時間−位置応答の特性を示している。これらの結果より、COG動作およびヨーイング動作は、各モードにおける位置サーボにより再現がなされていることが分かる。また、内力モードの時間−力応答の特性を図10(g)に示し、ここでは内力モードにおける把持力指令は1Nとしている。この図10(g)により、内力はCOG動作やヨーイング動作によらず一定に制御できていることが分かる。従って、人間のスキルドモーションの抽出と再現において、本実施例におけるインタラクションモード制御が有用であることが確認できる。   On the other hand, the reproduction result by the proposed interaction mode control is shown in FIG. FIGS. 10A to 10C show the time-position characteristics in each of the robot systems A to C, and FIGS. 10D to 10F are views in the mode space obtained by the mode-quarty matrix. The time-position response characteristics are shown. From these results, it can be seen that the COG operation and the yawing operation are reproduced by the position servo in each mode. FIG. 10G shows the time-force response characteristics in the internal force mode. Here, the grip force command in the internal force mode is 1N. FIG. 10 (g) shows that the internal force can be controlled to be constant regardless of the COG operation or yawing operation. Therefore, it can be confirmed that the interaction mode control in this embodiment is useful in the extraction and reproduction of human skilled motion.

このように、本実施例では、インタラクションモード制御に基づいて、人間のスキルドモーションを抽出または再現する手法を提案した。ここでのインタラクションモード制御は、モードクオリー行列を用いてロボットシステム群の非干渉化モードを抽出することが可能であるため,人間の五指に対応したモーションの抽出と再現に非常に有用である。また、他システムからの加速度外乱から加速度応答値に及ぼす影響の割合として、ハイブリッド比という新たな制御指標を定義した。これにより、人間のモーションにおけるタスクを記述するためのタスクコードを確立して、力制御,位置制御を統一的に加速度ベースで扱うことが可能になる。   As described above, the present embodiment proposes a method for extracting or reproducing a human skilld motion based on the interaction mode control. The interaction mode control here can extract the non-interacting mode of the robot system group using the mode queuing matrix, so it is very useful for extracting and reproducing the motion corresponding to the human five fingers. . In addition, a new control index called the hybrid ratio was defined as the ratio of the influence on the acceleration response value from the acceleration disturbance from other systems. As a result, a task code for describing a task in human motion can be established, and force control and position control can be handled uniformly on an acceleration basis.

次に、本発明の第2実施例を図11〜図17に基づき説明するが、前記第1実施例と共通する箇所には共通の符号を付し、共通する部分の説明は重複を避けるために極力省略する。   Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 11 to 17. Common portions to the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and the description of the common portions is avoided to avoid duplication. Is omitted as much as possible.

図11は、本実施例におけるモーション習得システムにおけるモーション抽出モードのブロック線図を示している。この第2実施例は、前記ロボットシステム群として、複数のロボットシステムA〜Cからなるマスターシステム61と、複数のロボットシステムA〜Cからなるスレーブシステム62とを利用して、熟練者のスキルを抽出したり、人工的に再現したりする制御方法を提案する。関節空間に配置されたマスターシステム61とスレーブシステム62の各アクチュエータ1は、前述した外乱オブザーバ11のような加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御される。バイラテラル制御とは、マスターシステム61とスレーブシステム62との間で位置と力の状態を一致させるように制御を行なうことで、マスターシステム61からスレーブシステム62への位置制御と、スレーブシステム62からマスターシステム61への力制御を同時に行なう制御方法であり、それを具体化する制御手段は周知であるので、ここでは詳しく説明しない。このようなバイラテラル制御を用いることで、「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報である力覚情報から、操作者の作用力と反作用力を分離することができる。また、スキルの保存と再現に際しては、前記第1実施例と同様に、インタラクションモード制御に基づき非干渉モード毎に加速度次元で制御系を構成することで、位置情報と力情報の双方が統合可能であり、触覚ベースでのスキルデータベースとスキルシミュレーション開発への応用が期待できる。   FIG. 11 shows a block diagram of the motion extraction mode in the motion acquisition system in the present embodiment. The second embodiment uses the master system 61 composed of a plurality of robot systems A to C and the slave system 62 composed of a plurality of robot systems A to C as the robot system group, and the skill of the skilled worker is obtained. We propose a control method that can be extracted or reproduced artificially. Each actuator 1 of the master system 61 and the slave system 62 arranged in the joint space is controlled by bilateral control based on acceleration control like the disturbance observer 11 described above. Bilateral control refers to the position control from the master system 61 to the slave system 62 and the control from the slave system 62 by performing control so that the position and force state are matched between the master system 61 and the slave system 62. This is a control method in which force control to the master system 61 is performed at the same time, and the control means for embodying it is well known and will not be described in detail here. By using such bilateral control, the action force and the reaction force of the operator can be separated from the force information that is bidirectional information governed by the “law of action / reaction”. Also, when storing and reproducing skills, as in the first embodiment, both position information and force information can be integrated by configuring a control system with acceleration dimensions for each non-interference mode based on interaction mode control. It can be expected to be applied to the development of tactile-based skill databases and skill simulations.

図11に示すモーション習得システムは、人間の3指のモーションに対応して、それぞれ3体のマスターシステム61とスレーブシステム62を備えている。また、ここでの実験装置も、アクチュエータ1としてロッド型のリニアアクチュエータを使用する。したがって、作業空間と関節空間は等しく、図4に示すような加速度変換手段25,26や加速度逆変換手段34は不要となる。   The motion learning system shown in FIG. 11 includes three master systems 61 and slave systems 62 corresponding to three human fingers. Also in this experimental apparatus, a rod-type linear actuator is used as the actuator 1. Therefore, the work space and the joint space are equal, and the acceleration conversion means 25 and 26 and the acceleration reverse conversion means 34 as shown in FIG. 4 are not necessary.

図12は、図4に示す装置構成を実現する実験装置の一例である。個々の構成は第1実施例と共通であるので説明を省略するが、後述する抽出モードでは、操作者64が操作するマスターシステム61と、この操作者に合せて対象物47を把持するスレーブシステム62が並設されている。   FIG. 12 is an example of an experimental apparatus for realizing the apparatus configuration shown in FIG. Each configuration is the same as that of the first embodiment, so that the description thereof will be omitted. However, in the extraction mode described later, a master system 61 operated by the operator 64 and a slave system that holds the object 47 in accordance with the operator. 62 are juxtaposed.

再度図11に戻り、第1のモード加速度変換手段27Aは、マスターシステム61を構成する各ロボットシステムA〜Cの加速度外乱xNm ・・ext(N=A,B,C)を、モード空間における加速度外乱mim ・・ext(i=1〜3)に変換すると共に、別な第1のモード加速度変換手段27Bは、スレーブシステム62を構成する各ロボットシステムA〜Cの加速度外乱xNs ・・ext(N=A,B,C)を、モード空間における加速度外乱mis ・・ext(i=1〜3)に変換する。同様に、第2のモード加速度変換手段28Aは、マスターシステム61を構成する各ロボットシステムA〜Cの加速度応答値xNm ・・ (N=A,B,C)を、モード空間における加速度応答値mim ・・(i=1〜3)に変換すると共に、別な第2のモード加速度変換手段28Bは、スレーブシステム62を構成する各ロボットシステムA〜Cの加速度外乱xNs ・・(N=A,B,C)を、モード空間における加速度応答値mis ・・(i=1〜3)に変換する。 Returning to FIG. 11 again, the first mode acceleration conversion means 27A converts the acceleration disturbance x Nm ·· ext (N = A, B, C) of each robot system A to C constituting the master system 61 in the mode space. converts the acceleration disturbance m im ·· ext (i = 1~3 ), another first mode acceleration conversion means 27B is in the robot system A~C constituting the slave system 62 acceleration disturbance x Ns · · ext (N = A, B, C) is converted into acceleration disturbance m is ·· ext (i = 1 to 3) in the mode space. Similarly, the second mode acceleration conversion means 28A uses the acceleration response values x Nm ... (N = A, B, C) of the robot systems A to C constituting the master system 61 as the acceleration response values in the mode space. m converts to im ·· (i = 1~3), another second mode acceleration conversion means 28B is in the robot system A~C constituting the slave system 62 acceleration disturbance x Ns ·· (N = A, B, C) are converted into acceleration response values m is ... (I = 1 to 3) in the mode space.

ここでは、モード空間におけるマスターシステム61とスレーブシステム62の加速度応答値を、それぞれm ・・およびm ・・と定義し、モード空間におけるマスターシステム61とスレーブシステム62の外力の等価加速度を、それぞれm ・・extおよびm ・・extと定義する。バイラテラル制御の目標は以下のように記述できる。 Here, the acceleration response values of the master system 61 and the slave system 62 in the mode space are defined as m m ·· and m S ·· , respectively, and the equivalent acceleration of the external force of the master system 61 and the slave system 62 in the mode space is defined as Define m m ·· ext and m S ·· ext respectively. The goal of bilateral control can be described as follows.

上記数15は、「作用・反作用の法則」を実現するために、マスターシステム61とスレーブシステム62の受ける外力の等価加速度の和を0にすべきであることを示している。一方、数16はマスターシステム61とスレーブシステム62の間で同期を確保するために、加速度応答の偏差を0にすべきであることを示している。このようにバイラテラル制御系の目標は、マスターシステム61とスレーブシステム62の和と差の座標系で定義されるため、2次のモードクオリー行列Q2を用いて、次の数17〜数19のようにまとめて表現することが可能である。 The above formula 15 indicates that the sum of the equivalent accelerations of the external forces received by the master system 61 and the slave system 62 should be zero in order to realize the “law of action / reaction”. On the other hand, Equation 16 indicates that the deviation of the acceleration response should be zero in order to ensure synchronization between the master system 61 and the slave system 62. As described above, since the target of the bilateral control system is defined by the coordinate system of the sum and difference of the master system 61 and the slave system 62, the following equations 17 to 19 are used using the second-order mode queuing matrix Q2. It is possible to express them together as follows.

ここで、m ・・とm ・・は、それぞれモード空間における加速度応答の和と差のモードをあらわし、m ・・extとm ・・extは、それぞれモード空間における外力の等価加速度の和と差のモードを表わしている。すなわち、図11のシステムでは、前記数19のモードクオリー行列Qを用いて、前記モード空間における等価加速度(加速度外乱)mim ・・ext,mis ・・extから、その和mic ・・extと差mid ・・extの各値をそれぞれ算出する第1の加速度算出手段71A,71B,71Cと、前記モード空間における加速度応答mim ・・,mis ・・から、その和mic ・・と差mid ・・の各値を算出する第2の加速度算出手段72とを、各々備えている。 Here, m c · · and m d · · may represent the mode of the sum and difference of the acceleration response in the respective mode space, m c · · ext and m d · · ext is equivalent acceleration of external forces in the respective mode space Represents the sum and difference modes. That is, in the system of FIG. 11, by using the mode qualifier chromatography matrix Q 2 of the number 19, the mode equivalent acceleration (acceleration disturbance) in the space m im · · ext, the m is ·· ext, · the sum m ics · ext the difference m id · · ext first acceleration calculating means 71A for calculating respectively the values of, 71B, and 71C, acceleration response m im · · in the modal space, the m iS · ·, the sum m ics a second acceleration calculating means 72 for calculating the values of ... the difference m id ..., it is provided, respectively.

また、前記数15を実現するために、和のモードにおける外力の等価加速度mc ・・extに対して、次のような力サーボで構成設定する。 Further, in order to realize the formula 15, the following configuration is set by the following force servo with respect to the equivalent acceleration m c ·· ext of the external force in the sum mode.

また、和のモードでは人間の入力に従って反作用力を制御する必要があることから、抽出モードでは全ての空間モードにおいてハイブリッド比HRが1に設定される。つまり、和のモードにおけるハイブリッド比HRは以下のように表される。 Further, in the sum mode, the reaction force needs to be controlled according to human input. Therefore, in the extraction mode, the hybrid ratio HR is set to 1 in all spatial modes. That is, the hybrid ratio HR c in the sum mode is expressed as follows.

上記のハイブリッド比に基づき、モード空間における加速度制御系の各伝達要素Cic(s)(i=1〜3)を以下のように設定する。なお、下記のKfic(i=1〜3)は、力制御ゲインを表わす。 Based on the above hybrid ratio, each transmission element C ic (s) (i = 1 to 3) of the acceleration control system in the mode space is set as follows. The following K fic (i = 1 to 3) represents a force control gain.

一方、差のモードでは、数16を実現するために、加速度応答の偏差を0にするような定値制御が行なわれる。 On the other hand, in the difference mode, constant value control is performed so that the deviation of the acceleration response is zero in order to realize Equation (16).

ここで、Cは位置レギュレータを表わす。差のモードでは、外乱を補償して位置の同期を確保する必要があることから、全ての空間モードにおいてハイブリッド比を0にする必要がある。従って、差のモードにおけるハイブリッド比HRは以下のように表される。 Here, C p represents a position regulator. In the difference mode, it is necessary to compensate for disturbances and ensure position synchronization, so the hybrid ratio must be zero in all spatial modes. Accordingly, the hybrid ratio HR d in the difference mode is expressed as follows.

上記ハイブリッド比HRに基づいて、モード空間における加速度制御系Cid(s)(i=1〜3)を以下のように設定する。 Based on the hybrid ratio HR d , the acceleration control system C id (s) (i = 1 to 3) in the mode space is set as follows.

ここで、Kfid(i=1〜3)は位置制御ゲインを表わし、Kvid(i=1〜3)は速度制御ゲインを表わす。こうすることで、和と差の直交座標系において、力サーボと位置レギュレータを独立して設計することが可能である。 Here, K fid (i = 1 to 3) represents a position control gain, and K vid (i = 1 to 3) represents a speed control gain. By doing so, it is possible to design the force servo and the position regulator independently in the Cartesian coordinate system of sum and difference.

上記モード空間における和のモードの加速度参照値mic ・・(i=1〜3)と、差のモードの加速度参照値mid ・・(i=1〜3)を算出するために、このモーション抽出モードでは、モード空間におけるインタラクションモード制御部として、和モード制御部74と差モード制御部75を備えている。和モード制御部74は、第1の加速度算出手段71で算出され、減算器77A〜77Cを経て出力された各モード空間の和のモードにおける外力の等価加速度mic ・・extと、前記数21や数23で記述された伝達要素Cic(s)とをそれぞれ掛け合わせて、数20に示すモード空間における和のモードの加速度参照値mic ・・refを算出する第1の積算手段78A〜78Cを備えている。また、差モード制御部75は、第2の加速度算出手段72で算出された各モード空間の差のモードにおける加速度応答値mid ・・と、前記数25や数27で記述された伝達要素Cid(s)とをそれぞれ掛け合わせて、数24に示すモード空間における差のモードの加速度参照値mid ・・refを算出する第2の積算手段79A〜79Cを備えている。 To calculate the above sum in the mode spatial modes of the acceleration reference value m ic ·· (i = 1~3) , an acceleration reference value mode of a difference m id · · a (i = 1~3), this motion In the extraction mode, a sum mode control unit 74 and a difference mode control unit 75 are provided as interaction mode control units in the mode space. OR mode control unit 74 is calculated by the first acceleration calculating means 71, a subtractor equivalent acceleration m ics · · ext of the external force in the mode of the sum of each mode space that is outputted through 77A~77C, the number 21 and respectively multiplied the described transfer element C ic (s) and the the number 23, first integration means for calculating an acceleration reference value m ics · · ref of the sum mode in the mode space shown in several 20 78A~ 78C is provided. The difference mode control unit 75, transfer element C of the acceleration response value m id · · in the mode of the difference between each mode space calculated by the second acceleration calculating means 72, described in the number 25 and number 27 There are provided second integrating means 79A to 79C for multiplying id (s), respectively, to calculate the acceleration reference value m id ·· ref of the difference mode in the mode space shown in Formula 24.

前記モード空間には、以下の式のように力サーボと位置レギュレータを加速度次元で統合して、マスターシステム61とスレーブシステム62に対応するモード空間の加速度参照値mim ・・ref,mis ・・refを生成する加速度逆算出手段81が設けられる。 The mode space, integrating force servo with position regulator acceleration dimension as the following equation, the acceleration reference value m im · · ref modes space corresponding to the master system 61 and the slave system 62, m IS · An acceleration reverse calculation means 81 for generating ref is provided.

上記数28の各式は、前記数19で示した二次のモードクオリー行列Qの逆行列Q −1を用いて、次のように結合することが可能である。 Each equation of the above equation 28 can be combined as follows using the inverse matrix Q 2 −1 of the second-order mode query matrix Q 2 expressed by the equation 19.

上記マスターシステム61とスレーブシステム62に対応するモード空間の加速度参照値mim ・・ref,mis ・・refは、モード加速度逆変換手段33A,33Bにおける逆モードクオリー行列Q −1によって、関節空間における加速度参照値xNm ・・ref,xNs ・・ref(N=A,B,C)にそれぞれ逆変換され、各アクチュエータ1に分配される。各アクチュエータ1の加速度参照値は、第1実施例と同様に、前記外乱オブザーバに基づくロバスト制御系により実現される。モード加速度逆変換手段33A,33Bの動作を数式で表わすと、次のようになる。 Acceleration reference value m im · · ref modes space corresponding to the master system 61 and the slave system 62, the m IS · · ref is reverse mode in the mode acceleration inverse transform unit 33A, 33B qualifiers over matrix Q 3 -1, The acceleration reference values x Nm ·· ref and x Ns ·· ref (N = A, B, C) in the joint space are respectively inversely converted and distributed to the actuators 1. The acceleration reference value of each actuator 1 is realized by a robust control system based on the disturbance observer, as in the first embodiment. The operation of the mode acceleration reverse conversion means 33A and 33B is expressed by the following formula.

図13は、上記構成におけるシステムのモーション抽出モードにおける実験結果を示したものである。操作者がマスターシステム61を操作して外力を与えると、スレーブシステム62がその操作に従って、対象物47を把持し移動させるタスクを行っている。マスターシステム61およびスレーブシステム62に設けた各アクチュエータ1の時間−位置応答の特性を図13(a)〜(c)に示し、上記モードクオリー行列Qを用いて各モード空間の位置応答にそれぞれ変換したものを図13(d)〜(f)に示す。また、モード空間において、把持物体への把持力に相当する内部モードの時間−力応答の特性を図13(g)に示す。 FIG. 13 shows an experimental result in the motion extraction mode of the system having the above configuration. When an operator operates the master system 61 to apply an external force, the slave system 62 performs a task of gripping and moving the object 47 according to the operation. Master system 61 and the slave system 62 to time the actuator 1 is provided - shows the characteristic of position response in FIG. 13 (a) ~ (c) , the position response of each mode space using the mode qualifier chromatography matrix Q 3 The respective conversions are shown in FIGS. 13 (d) to (f). In addition, in the mode space, the time-force response characteristic of the internal mode corresponding to the gripping force to the gripping object is shown in FIG.

この実験結果より、操作者が重心,ヨーイング,重心の順に対象物47を把持しながら移動させていることが確認できる。また、マスターシステム61およびスレーブシステム62を構成することにより、人間(操作者)の操作する把持物体の把持力を抽出することができる。さらに、マスターシステム61とスレーブシステム62との間の位置応答は非常によく追従しており、「作用・反作用の法則」が人工的に再現されている。従って、この実施例で提案するシステムでも、人間の3指のモーションを独立したモード毎に抽出しスキルの解析を行なうことができる。   From this experimental result, it can be confirmed that the operator moves the object 47 while gripping the object 47 in the order of the center of gravity, yawing, and center of gravity. Further, by configuring the master system 61 and the slave system 62, it is possible to extract the gripping force of the gripped object operated by a human (operator). Furthermore, the position response between the master system 61 and the slave system 62 follows very well, and the “law of action / reaction” is artificially reproduced. Therefore, even in the system proposed in this embodiment, it is possible to extract the motion of three human fingers for each independent mode and analyze the skill.

次に、当該第2実施例のモーション再現モードについて説明する。図14は、前記図11で抽出したモード空間のモーションを、関節空間に設置したスレーブシステム62で自動的に再現するシステムの構成を示している。なお、スレーブシステム62に代わって、同じ構成であるマスターシステム61を用いても構わない。図14では、これをロボットシステムA〜Cとして記述している。第1実施例で説明したように、物体把持タスクを実現する場合、図6に示す重心モードとヨーイングモードに関しては位置次元で再現を行ない、内部モードに関しては力次元で再現する。そのため、再現モードでのハイブリッド比HRは、以下のように表わせる。 Next, the motion reproduction mode of the second embodiment will be described. FIG. 14 shows a system configuration in which the motion in the mode space extracted in FIG. 11 is automatically reproduced by the slave system 62 installed in the joint space. Instead of the slave system 62, the master system 61 having the same configuration may be used. In FIG. 14, this is described as robot systems A to C. As described in the first embodiment, when realizing the object gripping task, the center of gravity mode and the yawing mode shown in FIG. 6 are reproduced in the position dimension, and the internal mode is reproduced in the force dimension. Therefore, the hybrid ratio HR r in the reproduction mode can be expressed as follows.

上記のハイブリッド比HRに基づき、モード空間における加速度制御系の各伝達要素C(s)(i=1〜3)は、次のように設定する。なおこれは、前記数14に示したものと同じである。 Based on the hybrid ratio HR r described above, each transfer element C i (s) (i = 1 to 3) of the acceleration control system in the mode space is set as follows. This is the same as that shown in Equation 14 above.

ハイブリッド比決定手段32は、モード1,2のハイブリッド比HRが0で、モード3のハイブリッド比HRが1であることから、第2のモード加速度変換手段28で変換されたモード1,2の加速度応答値m ・・,m ・・と、第1のモード加速度変換手段27で変換されたモード3の加速度応答値m ・・extが、インタラクションモード制御部31の減算器77A〜77Cに各々入力されるように、個々では図示しないタスクコード選択手段を制御する。再現モードでは、記憶手段30で保存記憶される加速度情報から得たモード空間毎の加速度目標値m ・・cmd,m ・・cmd,m ・・cmdが、インタラクションモード制御部31の減算器77A〜77Cに各々入力され、インタラクションモード制御部31は、各減算器77A〜77Cからの算出結果を、前記数32で記述された伝達要素C(s)(i=1〜3)とそれぞれ掛け合わせて、モード空間における加速度参照値m ・・ref,m ・・ref,m ・・refを算出する。この加速度参照値m ・・ref,m ・・ref,m ・・refは、モード加速度逆変換手段33における逆モードクオリー行列Q −1によって、関節空間における加速度参照値x・・refに逆変換され、各アクチュエータ1に分配される。各アクチュエータ1の加速度参照値は、前記外乱オブザーバに基づくロバスト制御系により実現される。 Hybrid ratio determining means 32, the hybrid ratio HR r is 0 mode 1, since the hybrid ratio HR r of mode 3 is 1, converted mode in the second mode the acceleration conversion means 28 1,2 acceleration response values m 1 · ·, and m 2 · ·, acceleration response value m 3 · · ext of the transformed mode 3 in the first mode the acceleration conversion means 27, a subtracter 77A~ interaction mode control unit 31 The task code selection means (not shown) is controlled individually so as to be input to 77C. In the reproduction mode, the acceleration target values m 1 ·· cmd , m 2 ·· cmd , m 3 ·· cmd for each mode space obtained from the acceleration information stored and stored in the storage means 30 are subtracted by the interaction mode control unit 31. The interaction mode control unit 31 inputs the calculation results from the subtractors 77A to 77C to the transfer element C i (s) (i = 1 to 3) described by the equation 32. The acceleration reference values m 1 ·· ref , m 2 ·· ref , m 3 ·· ref in the mode space are calculated by multiplying them respectively. The acceleration reference value m 1 ·· ref, m 2 ·· ref, m 3 ·· ref is the reverse mode qualifiers over matrix Q 3 -1 in the mode acceleration inverse transformation means 33, an acceleration reference value x · · in the joint space It is converted back to ref and distributed to each actuator 1. The acceleration reference value of each actuator 1 is realized by a robust control system based on the disturbance observer.

なお、ここにあるインタラクションモード制御部31は、前記図11に示す和モード制御部74と同じ構成とすることができる。但し、積算手段78A〜78Cで設定される伝達要素は、モーションの抽出モードと再現モードでは異なる。   It should be noted that the interaction mode control unit 31 here can have the same configuration as the sum mode control unit 74 shown in FIG. However, the transfer elements set by the integrating means 78A to 78C are different between the motion extraction mode and the reproduction mode.

本実施例においても、その有効性を確認するために、従来の位置制御による再現実験と、本実施例で採用したインタラクションモード制御による再現実験との比較を行った。ここでも操作者はマスターシステム61を操作し、スレーブシステム62がその操作に従って対象物47を把持し移動させるタスクを行っている。従来の位置制御による再現結果を図15に示す。図15(a)〜(c)は、各ロボットシステムA〜Cにおける時間−位置の特性を示しており、図15(d)〜(f)は、モードクオリー行列によって得られたモード空間における時間−位置応答の特性を示している。一方、図16は、本実施例で採用したインタラクションモード制御による再現結果を示している。図16(a)〜(c)は、各ロボットシステムA〜Cにおける時間−位置の特性を示しており、図16(d)〜(f)は、モードクオリー行列によって得られたモード空間における時間−位置応答の特性を示している。両者を比較すると、重心位置とヨーイング位置に関しては、本実施例の提案手法も良好な再現性が得られている。さらに図17は、把持物体の把持力に相当する内部モードの力応答に関し、前記図11の構成により抽出されたマスターシステム61とスレーブシステム62の時間−力応答の特性と、従来の位置制御(位置サーボ)による時間−力応答の特性と、本実施例で提案するインタラクションモード制御での時間−力応答の特性とを、各々(a)〜(c)に示している。この実験結果からも明らかなように、従来の方法では位置制御に基づく再現であるため、把持力に関しては不定となり、これでは対象物47を把持することができない。一方、本実施例の提案法は、重心位置やヨーイング位置の変化に関係なく、一定の把持力が再現されており、対象物47を良好に把持することができる。   Also in the present example, in order to confirm the effectiveness, a comparison between a reproduction experiment using the conventional position control and a reproduction experiment using the interaction mode control employed in this example was performed. Here too, the operator operates the master system 61, and the slave system 62 performs a task of gripping and moving the object 47 according to the operation. The reproduction result by the conventional position control is shown in FIG. FIGS. 15A to 15C show the time-position characteristics in each of the robot systems A to C, and FIGS. 15D to 15F show in the mode space obtained by the mode-quarty matrix. The time-position response characteristics are shown. On the other hand, FIG. 16 shows a reproduction result by the interaction mode control employed in this embodiment. FIGS. 16A to 16C show the time-position characteristics in each of the robot systems A to C, and FIGS. 16D to 16F are diagrams in the mode space obtained by the mode-quarty matrix. The time-position response characteristics are shown. When both are compared, the reproducibility of the proposed method of the present embodiment is also good with respect to the position of the center of gravity and the yawing position. Further, FIG. 17 shows the time-force response characteristics of the master system 61 and the slave system 62 extracted by the configuration shown in FIG. The characteristics of the time-force response by the position servo) and the characteristics of the time-force response in the interaction mode control proposed in this embodiment are shown in (a) to (c), respectively. As is apparent from this experimental result, the conventional method is based on position control, so the gripping force is indefinite, and the object 47 cannot be gripped with this. On the other hand, in the proposed method of the present embodiment, a constant gripping force is reproduced regardless of changes in the center of gravity position and yawing position, and the object 47 can be gripped satisfactorily.

こうした実験結果により、提案するインタラクションモード制御では、物体把持タスクが独立した例えば3つのモードにそれぞれ保存され、これを再現することが確認できる。   From these experimental results, it can be confirmed that in the proposed interaction mode control, the object gripping task is stored in, for example, three independent modes and reproduced.

この実施例では、マスターシステム61とスレーブシステム62を用いて、人間のモーションを抽出し、人工的に再現するモーション習得システムを提案している。ここでのモーション習得システムは、バイラテラル制御系により構成されるモーション抽出モードとインタラクションモード制御により構成されるモーション再現モードの2個のモードから構成される。モーション抽出モードでは、「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報である力覚情報から、操作者の作用力と反作用力の分離を行なうことが可能になる。また、モードクオリー行列を用いて人間の指に対応した直交座標系で定義される非干渉モードを抽出し、物体の把持,移動,回転といった人間の持つ動作ごとに、スキルの解析を行なうためのモーションの抽出手法を提案した。モーション再現モードでは、インタラクションモード制御に基づき、抽出モードで得られた人間のモーションを忠実に再現することができる。提案した方法を、例えば3体のリニアアクチュエータを用いた物体把持タスクに適用すれば、人間の3指からなるモーションを抽出および保存し、且つ重心,ヨーイングの移動と把持力を自動的に再現することが可能になる。   This embodiment proposes a motion learning system that extracts a human motion by using a master system 61 and a slave system 62 and artificially reproduces them. The motion learning system here is composed of two modes: a motion extraction mode configured by a bilateral control system and a motion reproduction mode configured by interaction mode control. In the motion extraction mode, it is possible to separate the action force and the reaction force of the operator from force information that is bidirectional information governed by the “law of action / reaction”. Also, to extract the non-interference mode defined by the Cartesian coordinate system corresponding to the human finger using the mode queuing matrix and analyze the skill for each human movement such as grasping, moving, and rotating the object. A motion extraction method was proposed. In the motion reproduction mode, human motion obtained in the extraction mode can be faithfully reproduced based on the interaction mode control. If the proposed method is applied to an object gripping task using, for example, three linear actuators, the motion consisting of three human fingers is extracted and stored, and the center of gravity and yawing movement and gripping force are automatically reproduced. It becomes possible.

以上のように上記各実施例では、ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した各ロボットシステムのアクチュエータ1に行なう第1のステップと、アクチュエータ1への外力の等価加速度と当該アクチュエータ1の加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの等価加速度と加速度応答に変換する第2のステップと、第2のステップで得た非干渉モードにおける等価加速度と加速度応答とに基づいて、非干渉モードの各々に対応した対象物47に対するモーションを抽出する第3のステップと、からなるモーション習得システムの制御方法を提案する。   As described above, in each of the above-described embodiments, the first step of performing the acceleration control for making the control rigidity zero while maintaining the robustness is performed on the actuator 1 of each robot system arranged corresponding to the degree of freedom of movement in the real space; First, the equivalent acceleration of the external force applied to the actuator 1 and the acceleration response of the actuator 1 are converted into equivalent non-interference mode equivalent accelerations and acceleration responses, which are defined in an orthogonal coordinate system, using a mode quality matrix. And a third step of extracting a motion for the object 47 corresponding to each non-interference mode based on the equivalent acceleration and acceleration response in the non-interference mode obtained in the second step. A control method for motion learning system is proposed.

このように、複数のロボットシステムの各アクチュエータ1に対して、ロバスト性を失うことなく制御剛性をゼロにする加速度制御が行なわれるので、環境との接触を伴う動作が実現できる。また、モードクオリー行列を用いて、人間の動作やタスクに基づく直交座標系の非干渉モードを新たに定義し、そこで各々が独立したモーションを抽出することが可能であるため、例えば人間の指に対応したモーションの抽出が容易になる。   As described above, since the acceleration control for reducing the control rigidity to zero without losing the robustness is performed on each actuator 1 of the plurality of robot systems, an operation involving contact with the environment can be realized. In addition, it is possible to newly define a non-interfering mode of the Cartesian coordinate system based on human movements and tasks using the mode queuing matrix, and each can extract independent motions. Extraction of motion corresponding to is easy.

そしてこれは、前記第1のステップを機能的に備えた加速度制御手段としての外乱オブザーバ11と、前記第2のステップを機能的に備えたモード加速度変換手段27,27A,27B,28,28A,28Bと、前記第3のステップを機能的に備えたモーション抽出手段(インタラクションモード制御部31,ハイブリッド比決定手段32,和モード制御部74,差モード制御部75)と、を備えたモーション習得システムによっても実現できる。   This includes a disturbance observer 11 as an acceleration control means functionally including the first step, and mode acceleration conversion means 27, 27A, 27B, 28, 28A, functionally including the second step. 28B and a motion learning system functionally including the third step (interaction mode control unit 31, hybrid ratio determining unit 32, sum mode control unit 74, difference mode control unit 75) Can also be realized.

また、上記モーションの抽出に際しては、前記ロボットシステムがマスターシステム61とスレーブシステム62とにより構成され、前記第1のステップで、前記マスターシステム61と前記スレーブシステム62の各アクチュエータ1を、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御し、若しくは前記マスターシステム61と前記スレーブシステム62の各アクチュエータ1を、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御するように、前記加速度制御手段を構成することが好ましい。   When extracting the motion, the robot system includes a master system 61 and a slave system 62. In the first step, each actuator 1 of the master system 61 and the slave system 62 is controlled by the acceleration control. Preferably, the acceleration control means is configured to control by bilateral control based on the above, or to control each actuator 1 of the master system 61 and the slave system 62 by bilateral control based on the acceleration control.

こうすれば、「作用・反作用の法則」に支配される双方向的情報である力覚情報から、操作者の作用力と反作用力を分離することができ、モーション抽出に際して特に重要な環境からの反作用力の抽出が可能になる。   In this way, the action force and reaction force of the operator can be separated from the haptic information, which is bidirectional information governed by the “law of action / reaction”. The reaction force can be extracted.

また、前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する第4のステップをさらに含むか、或いは前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する記憶手段30をさらに備えるのが好ましい。   Further, it is preferable to further include a fourth step of storing the acceleration information converted into the non-interference mode, or to further include storage means 30 for storing the acceleration information converted into the non-interference mode.

こうすると、抽出したモーションを保存して、例えば非干渉モードに変換した加速度情報を別な場所で読み出すことが可能になる。   If it carries out like this, it will become possible to preserve | save the extracted motion and to read the acceleration information converted into non-interference mode in another place, for example.

また、各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比(ハイブリッド比HR)を決定し、前記第4のステップで保存した加速度情報に基づく加速度目標値と、前記第2のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記ハイブリッド比HRに基づき設定した非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出する第5のステップと、前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換する第6のステップと、をさらに含むことが好ましい。   Further, for each non-interference mode, a ratio of the acceleration response to the equivalent acceleration of the external force in the non-interference mode (hybrid ratio HR) is determined, and an acceleration target value based on the acceleration information stored in the fourth step; The acceleration reference value is calculated from the acceleration control system in the non-interference mode set based on the hybrid ratio HR using the deviation from the equivalent acceleration or acceleration response of the external force in the non-interference mode obtained in the second step as an input. And a sixth step of converting an acceleration reference value in the non-interference mode into an acceleration reference value for each robot system using an inverse matrix of the mode-quarty matrix.

こうすると、先に抽出し保存した非干渉モードに変換した加速度情報を基に、同一若しくは別なロボットシステムで再現することができ、モーションの再現性が確保される。特に、非干渉モード毎に加速度次元で制御系を構成しているので、位置情報と力情報の統合が可能になっており、ハイブリッド比を1または0に設定すれば、個々の非干渉モード毎に位置次元若しくは力次元での再現が可能になり、それを実空間でのロボットシステムのモーションに反映させることができる。   In this way, it can be reproduced by the same or different robot system based on the acceleration information that has been extracted and stored in the non-interference mode, and the reproducibility of motion is ensured. In particular, since the control system is configured with an acceleration dimension for each non-interference mode, position information and force information can be integrated. If the hybrid ratio is set to 1 or 0, each non-interference mode It is possible to reproduce in the position dimension or force dimension, and reflect it in the motion of the robot system in real space.

そしてこれは、前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比(ハイブリッド比HR)を決定し、記憶手段30に保存される加速度情報に基づく加速度目標値と、モード加速度変換手段27,27A,27B,28,28A,28Bで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記ハイブリッド比HR比に基づき設定した非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出するモード加速度算出手段(インタラクションモード制御部31,ハイブリッド比決定手段32,和モード制御部74,差モード制御部75)と、前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換するモード加速度逆変換手段33,33A,33Bと、をさらに備えた構成でも実現できる。   For each non-interference mode, this determines the ratio of the acceleration response to the equivalent acceleration of the external force in the non-interference mode (hybrid ratio HR), and the acceleration target value based on the acceleration information stored in the storage means 30 In the non-interference mode set based on the hybrid ratio HR ratio with the deviation from the equivalent acceleration or acceleration response of the external force in the non-interference mode obtained by the mode acceleration conversion means 27, 27A, 27B, 28, 28A, 28B as an input. Mode acceleration calculation means (interaction mode control unit 31, hybrid ratio determination unit 32, sum mode control unit 74, difference mode control unit 75) for calculating the acceleration reference value from the acceleration control system, and an inverse matrix of the mode quary matrix Is used to convert the acceleration reference value in the non-interference mode to the acceleration reference value for each robot system. It can also be realized by a configuration further including replacement means 33, 33A, 33B.

また、直線駆動を行なうリニアアクチュエータを、上記アクチュエータとして特に用いることで、摩擦の影響を機構的に除去できる。   In addition, the effect of friction can be mechanically removed by using a linear actuator that performs linear driving as the actuator.

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。   In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation implementation is possible in the range of the summary of this invention.

本実施例で提案するモーション習得システムおよびその制御方法は、インタラクションモード制御や、マスター・スレーブシステムを用いて熟練者のスキルを抽出し、人工的に再現するもので、その新規性は高い。特に、マスター・スレーブシステムは加速度制御に基づくバイラテラル制御系により制御されるため、未知の実環境との安定した接触動作と、多自由度の統合モーションの実現が可能である。さらに、モードクオリー行列の導入により、例えば人間の五指に対応した直交座標系で定義される非干渉モードを抽出し、物体の把持,移動,回転といった人間の持つ動作毎に、スキルの保存と再現を行なうことが可能になる。スキルの保存と再現に当たっては、非干渉モード毎に加速度次元で制御系を構成することで、位置情報と力情報の双方が統合可能であり、触覚ベースでのスキルデータベースとスキルシミュレータ開発の応用が期待できる。   The motion learning system and the control method proposed in this embodiment are highly novel because they extract the skill of an expert using an interaction mode control or a master / slave system and artificially reproduce it. In particular, since the master / slave system is controlled by a bilateral control system based on acceleration control, it is possible to realize a stable contact operation with an unknown actual environment and an integrated motion with multiple degrees of freedom. Furthermore, with the introduction of a mode-quarty matrix, for example, a non-interference mode defined by the Cartesian coordinate system corresponding to the human five fingers is extracted, and skills are saved and stored for each human action such as grasping, moving, and rotating objects. It is possible to reproduce. When storing and reproducing skills, it is possible to integrate both position information and force information by configuring a control system with acceleration dimensions for each non-interference mode. I can expect.

本発明の第1実施例におけるモーション習得システムに適用可能な、ロボットシステムの一例をあらわしたブロック線図である。It is a block diagram showing an example of the robot system applicable to the motion acquisition system in 1st Example of this invention. 同上、図1と等価な外乱オブザーバによる加速度制御系システムのブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram of an acceleration control system using a disturbance observer equivalent to FIG. 同上、図1に組み込まれる外乱オブザーバの制御ブロック線図である。2 is a control block diagram of a disturbance observer incorporated in FIG. 同上、インタラクションモード制御を具体化した一般構造を示すブロック線図である。It is a block diagram which shows the general structure which materialized interaction mode control same as the above. 同上、図4に示す装置構成を実現する実験装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the experimental apparatus which implement | achieves the apparatus structure shown in FIG. 4 same as the above. 同上、モード空間における3指による物体把持タスクを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the object holding | grip task with three fingers in mode space same as the above. 同上、インタラクションモード制御に基づく人間の物体把持モーションの抽出および再現制御を実現するモーション習得システムのブロック線図である。FIG. 2 is a block diagram of a motion learning system that realizes extraction and reproduction control of a human object gripping motion based on interaction mode control. インタラクションモード制御によるモーションの抽出結果を示す各特性のグラフである。It is a graph of each characteristic which shows the extraction result of the motion by interaction mode control. 従来の位置制御によるモーションの再現結果を示す各特性のグラフである。It is a graph of each characteristic which shows the reproduction result of the motion by the conventional position control. インタラクションモード制御によるモーションの再現結果を示す各特性のグラフである。It is a graph of each characteristic which shows the reproduction result of the motion by interaction mode control. 本発明の第2実施例を示すモーション習得システムにおけるモーション抽出モードのブロック線図である。It is a block diagram of the motion extraction mode in the motion acquisition system which shows 2nd Example of this invention. 同上、図11に示す装置構成を実現する実験装置の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the experimental apparatus which implement | achieves the apparatus structure shown in FIG. 11 same as the above. 同上、モーションの抽出結果を示す各特性のグラフである。It is a graph of each characteristic which shows the extraction result of a motion same as the above. 同上、モーション抽出モードで抽出したモーションを自動的に再現するのに好適なモーション習得システムのブロック線図である。It is a block diagram of a motion acquisition system suitable for automatically reproducing the motion extracted in the motion extraction mode. 従来の位置制御によるモーションの位置応答に関する再現結果を示す各特性のグラフである。It is a graph of each characteristic which shows the reproduction result regarding the position response of the motion by the conventional position control. 同上、本実施例の実験結果に基づくモーションの位置応答に関する再現結果を示す各特性のグラフである。It is a graph of each characteristic which shows the reproduction result regarding the position response of the motion based on the experimental result of a present Example same as the above. 内部モードの力応答に関する再現結果を示すグラフである。It is a graph which shows the reproduction result regarding the force response of an internal mode.

符号の説明Explanation of symbols

11 外乱オブザーバ(加速度制御手段)
27,27A,27B,28,28A,28B モード加速度変換手段
30 記憶手段
31 インタラクションモード制御部(モーション抽出手段,モード加速度算出手段)
32 ハイブリッド比決定手段(モーション抽出手段,モード加速度算出手段)
33,33A,33B モード加速度逆変換手段
74 和モード制御部(モーション抽出手段,モード加速度算出手段)
75 差モード制御部(モーション抽出手段,モード加速度算出手段)
11 Disturbance observer (acceleration control means)
27, 27A, 27B, 28, 28A, 28B Mode acceleration conversion means
30 Storage means
31 Interaction mode controller (motion extraction means, mode acceleration calculation means)
32 Hybrid ratio determination means (motion extraction means, mode acceleration calculation means)
33, 33A, 33B mode acceleration reverse conversion means
74 Sum mode control unit (motion extraction means, mode acceleration calculation means)
75 Difference mode controller (motion extraction means, mode acceleration calculation means)

Claims (10)

ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した複数のロボットシステムの各アクチュエータに行なう第1のステップと、
前記各アクチュエータへの外力の等価加速度と当該各アクチュエータの加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの外力の等価加速度と加速度応答に変換する第2のステップと、
前記第2のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度と加速度応答とに基づいて、前記非干渉モードの各々に対応した対象物に対するモーションを抽出する第3のステップと、からなることを特徴とするモーション習得システムの制御方法。
A first step of performing acceleration control to zero control rigidity while maintaining robustness for each actuator of a plurality of robot systems arranged corresponding to the degree of freedom of movement in real space;
The equivalent acceleration of external force to each actuator and the acceleration response of each actuator are converted into the equivalent acceleration and acceleration response of external force in independent non-interfering mode defined by orthogonal coordinate system using mode queuing matrix A second step of:
A third step of extracting a motion for the object corresponding to each of the non-interference modes based on the equivalent acceleration and acceleration response of the external force in the non-interference mode obtained in the second step. A control method of the featured motion acquisition system.
前記ロボットシステムがマスターシステムとスレーブシステムとにより構成され、前記第1のステップで、前記マスターシステムと前記スレーブシステムの各アクチュエータを、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御することを特徴とする請求項1記載のモーション習得システムの制御方法。   The robot system includes a master system and a slave system, and the actuators of the master system and the slave system are controlled by bilateral control based on the acceleration control in the first step. Item 8. A motion learning system control method according to Item 1. 前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する第4のステップをさらに含むことを特徴とする請求項1または2記載のモーション習得システムの制御方法。   The method of controlling a motion learning system according to claim 1, further comprising a fourth step of storing the acceleration information converted into the non-interference mode. 前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を決定し、前記第4のステップで保存した加速度情報に基づく加速度目標値と、前記第2のステップで得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記比に基づき設定した前記非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出する第5のステップと、
前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を前記各ロボットシステムへの加速度参照値に変換する第6のステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項3記載のモーション習得システムの制御方法。
For each non-interference mode, the ratio of the acceleration response to the equivalent acceleration of the external force in the non-interference mode is determined, and the acceleration target value based on the acceleration information stored in the fourth step is obtained in the second step. A fifth step of calculating an acceleration reference value from the acceleration control system in the non-interference mode set based on the ratio, with the deviation from the equivalent acceleration or acceleration response of the external force in the non-interference mode as an input;
The method further comprises a sixth step of converting an acceleration reference value in the non-interference mode into an acceleration reference value for each of the robot systems using an inverse matrix of the mode quality matrix. The motion learning system control method described.
前記アクチュエータがリニアアクチュエータであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一つに記載のモーション習得システムの制御方法。   The method of controlling a motion learning system according to claim 1, wherein the actuator is a linear actuator. ロバスト性を保ちつつ制御剛性をゼロにする加速度制御を、実空間の動作自由度に対応して配置した複数のロボットシステムの各アクチュエータに行なう加速度制御手段と、
前記各アクチュエータへの外力の等価加速度と当該各アクチュエータの加速度応答とを、モードクオリー行列を用いて直交座標系で定義される各々が独立した非干渉モードの等価加速度と加速度応答に変換するモード加速度変換手段と、
前記モード加速度変換手段で得た非干渉モードにおける等価加速度と加速度応答とに基づいて、前記非干渉モードの各々に対応した対象物に対するモーションを抽出するモーション抽出手段と、を備えたことを特徴とするモーション習得システム。
Acceleration control means for performing acceleration control to zero control rigidity while maintaining robustness for each actuator of a plurality of robot systems arranged corresponding to the degree of freedom of movement in real space;
A mode in which the equivalent acceleration of external force to each actuator and the acceleration response of each actuator are converted into equivalent non-interference mode equivalent accelerations and acceleration responses, each defined by a rectangular coordinate system using a mode-quarty matrix. Acceleration conversion means;
And a motion extraction means for extracting a motion for an object corresponding to each of the non-interference modes based on an equivalent acceleration and an acceleration response in the non-interference mode obtained by the mode acceleration conversion means. To learn motion.
前記ロボットシステムがマスターシステムとスレーブシステムとにより構成され、前記加速度制御手段は、前記マスターシステムと前記スレーブシステムの各アクチュエータを、前記加速度制御に基づくバイラテラル制御により制御するものであることを特徴とする請求項6記載のモーション習得システム。   The robot system is composed of a master system and a slave system, and the acceleration control means controls each actuator of the master system and the slave system by bilateral control based on the acceleration control. The motion learning system according to claim 6. 前記非干渉モードに変換した加速度情報を保存する記憶手段をさらに備えたことを特徴とする請求項6または7記載のモーション習得システム。   8. The motion learning system according to claim 6, further comprising storage means for storing acceleration information converted into the non-interference mode. 前記各非干渉モード毎に、当該非干渉モードにおける外力の等価加速度に対する加速度応答の比を決定し、前記記憶手段に保存される加速度情報に基づく加速度目標値と、前記モード加速度変換手段で得た非干渉モードにおける外力の等価加速度または加速度応答との偏差を入力として、前記比に基づき設定した前記非干渉モードにおける加速度制御系からその加速度参照値を算出するモード加速度算出手段と、
前記モードクオリー行列の逆行列を用いて、前記非干渉モードにおける加速度参照値を各ロボットシステムへの加速度参照値に変換するモード加速度逆変換手段と、をさらに備えたことを特徴とする請求項8記載のモーション習得システム。
For each non-interference mode, the ratio of the acceleration response to the equivalent acceleration of the external force in the non-interference mode is determined, and the acceleration target value based on the acceleration information stored in the storage means and the mode acceleration conversion means are obtained. A mode acceleration calculation means for calculating an acceleration reference value from an acceleration control system in the non-interference mode set based on the ratio, with the deviation from the equivalent acceleration or acceleration response of the external force in the non-interference mode as an input,
The mode acceleration reverse conversion means for converting an acceleration reference value in the non-interference mode into an acceleration reference value for each robot system by using an inverse matrix of the mode quary matrix. 8. Motion acquisition system according to 8.
前記アクチュエータがリニアアクチュエータであることを特徴とする請求項6〜9のいずれか一つに記載のモーション習得システム。   The motion learning system according to claim 6, wherein the actuator is a linear actuator.
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