JP2566665B2 - 慣性系におけるロボットの制御装置 - Google Patents

慣性系におけるロボットの制御装置

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    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/16—Programme controls
    • B25J9/1615—Programme controls characterised by special kind of manipulator, e.g. planar, scara, gantry, cantilever, space, closed chain, passive/active joints and tendon driven manipulators

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、重力が作用しない宇宙および海中などの慣
性空間すなわち慣性系におけるロボツトの制御装置に関
し、もつと詳しくは、宇宙や海中などで浮遊しながらロ
ボツトのアームを用いて作業を行うロボツトの制御装置
に関する。
従来の技術 浮遊するロボツトアームの手先を作業座標系（慣性座
標系）の目標軌道に追従させる場合、アームの動く反力
でロボツト本体も動いてしまうため、正確な追従が難し
く問題になつていた。
そこで、ロボツト本体を含む全体系の力学的挙動を考
慮した速度指令の生成法（「一般化ヤコビ行列を用いた
宇宙用ロボツトマニピユレータの分解速度制御」梅谷、
吉田 日本ロボツト学会誌 Vol.7 NO.4 PP.63−73、19
89年）が提案された。この手法は、速度制御であるた
め、目標位置・姿勢の指令の生成の仕方に問題が残り、
さらに、速度指令を生成する方法にロボツトアーム個々
の質量特性、質量中心、慣性テンソルの計算等の膨大な
演算を含み、パラメータ変動に弱い。
さらに、ロボツト本体に推進アクチユエータを付加し
たり、トルカを付加したりしてロボツト本体が反力で動
くのを抑え、制御する手法が提案された（たとえば「On
the Dynamics of Manipulators in Space Using the V
irtual Manipulator Approach」Z.Vafa,S.Dubowsky:pro
c.IEEE Int.Conf.on Robotics ＆ Automation PP.579−
585（1987）、および「Experiments on the Control of
a Satellite Manipulator」H.L.Alexander,R.H.Cannon
Proc.Material Handling Research Focus,Georgia Ins
titute of Technology PP.1−，（1986））。この手法
は、ロボツト本体に何らかの推進力発生手段またはトル
カを必要とし、エネルギ消費の観点から得策ではない。
また、手先のセンサで接近すべき対象の相対位置、相
対速度を計測し、これをフイードバツクして制御する手
法も考案された（たとえば「宇宙用マニピユレータのセ
ンサフイードバツク制御」升谷、宮崎、有本 第５回日
本ロボツト学会学術講演前刷集PP.245−248、1987
年）。この手法は、目標対象物が必要でさらに、何らか
の認識マーカのようなものが必要となるため、まわりに
何も存在しないようなところで、アームの手先を目標ど
おり動かすことはできない。
発明が解決しようとする課題 本発明の目的は、簡単な構成によつて、アームを、作
業を行う慣性空間で正確に位置決めして駆動することが
できるようにした慣性系におけるロボツトの制御装置を
提供することである。
課題を解決するための手段 本発明は、ロボツト本体にアームを設け、アームを駆
動するロボツトと、 アームの慣性系における絶対座標系での目標値を設定
する目標値設定手段と、 ロボツト本体に固定され、慣性系におけるロボツト本
体の速度または加速度を検出する手段と、 目標値設定手段および検出手段からの各出力に応答
し、目標値を、検出された速度または加速度によつて補
正し、その補正された値によつてロボツトのアームを駆
動させる制御手段とを含むことを特徴とする慣性系にお
けるロボツトの制御装置である。
作 用 本発明に従えば、検出手段をロボツト本体に搭載して
固定し、この検出手段は慣性系におけるロボツト本体の
速度または加速度（この速度または加速度は並進だけで
なく、後述の第５図および第７図のように回転運動の速
度または加速度を含む）をロボツト本体に固定のロボツ
ト座標系で検出し、この検出出力によつて、目標値設定
手段からの絶対座標系におけるアームの目標値を重畳し
て補正し、これによつて慣性系におけるアームの修正軌
道を生成する。これによつてロボツト本体が慣性系にお
いて浮遊して変位したときにおいても、アームを希望す
る目標値に正確にもたらすことが可能になる。
実施例 第１図は本発明の一実施例の全体の構成を示すブロツ
ク図であり、第２図はそのロボツトの完略化した斜視図
である。重力が作用しない宇宙および海中などの慣性系
において、ロボツト１が浮遊している。このロボツト１
は、ロボツト本体２と、複数（たとえば６）の自由度を
有するアーム３を備え、その作業端４によつて慣性系で
の作業を行うことができる。このロボツト本体２には加
速度を検出する検出手段14が設けられる。
マイクロコンピユータなどによつて実現される処理回
路６では、ロボツト本体２が動かないと仮定したときに
おける慣性系における絶対座標系での指令位置 指令速度 および指令加速度 を表す信号を導出し、加算回路８〜10を経てサーボコン
トローラ11に与える。このサーボコントローラ11によつ
てロボツト１のアーム３の駆動手段が駆動される。ロボ
ツト本体２に固定された座標系におけるアーム３の作業
端４の現在位置 は、アーム３の各関節の位置検出器の値と、アーム３を
構成するリンク長から計算される。また、アーム３の作
業端４の現在速度 も、アーム３の各関節の速度検出器あるいは位置検出器
の擬似微分を使用することで、リンク長から計算され
る。演算回路12は、アーム３の各関節の速度からロボツ
ト本体２に固定された座標系のアーム３の作業端４の現
在速度 を生成し、演算回路13はアーム３の各関節位置からロボ
ツト本体２に固定された座標系のアーム３の作業端４の
現在位置 を生成するもので、一般の固定型産業用ロボツトの座標
変換演算と同じものでよい。第１図において は、アーム３の各関節の変位、速度を示している。現在
速度 および現在位置 を表す信号は、サーボコントローラ11に与えられ、こう
してアーム３の作業端４は加算回路8,9,10から与えられ
る目標値になるように負帰還制御される。
ロボツト本体２には、本発明に従う加速度検出手段14
が取付けられる。この検出手段14はロボツト本体２のロ
ボツト座標系での加速度を検出する。
検出手段14によつて検出されたロボツト座標系におけ
る加速度 は、演算回路15から座標変換演算回路16に与えられ、ロ
ボツト座標系から絶対座標系（慣性座標系）に座標変換
され、その座標変換されたロボツト本体２の変位量 速度 および加速度 が導出されて加算回路8,9,10にそれぞれ与えられて加算
される。
第３図は、加速度検出手段14に関連する具体的な構成
を示すブロツク図である。この加速度検出手段14からの
検出された加速度 は演算回路15の積分手段17によつて積分されてロボツト
本体２の速度 が求められ、さらに積分手段18によつて変位量 が求められる。この加速度検出手段14によつて検出され
る加速度 およびそれに基づく速度 および変位量 は、ロボツト座標系の各値であり、前述のように座標変
換演算回路16では、慣性系での絶対座標系の各変位量 速度 および加速度 が求められる。
本発明の他の実施例として、第４図に示されるように
ロボツト本体２の速度を検出する検出手段18が設けられ
てもよい。このとき、速度検出手段18によつて検出され
たロボツト座標系での速度 は、積分回路19において積分されてロボツト座標系にお
ける変位量 が求められる。このようなロボツト座標系における各値 および は座標変換演算回路19に与えられ、慣性系の絶対座標系
における変位量 および速度 が得られ、加算回路8,9に与えられる。この実施例で
は、加算回路10は省略され、指令加速度 は発生されない。
第５図は、本件発明者の実験結果を示す図である。ロ
ボツト１はロボツト本体２に３自由度のアーム３が設け
られ、このアーム３によつてその作業端４を用いて円を
描くときの各時刻毎の状態が示されている。その作業端
４を用いて描いた円は第６図の参照符20で示されてい
る。慣性系における手首４の目標値である目標軌道は参
照符21で示されている。これによつて本発明によれば、
慣性系において、目標軌道にごく近似して作業端４を移
動することができることが理解される。
これに対して第７図に示される比較列では、ロボツト
本体2aにアーム3aが設けられ、ロボツト本体2aには検出
手段14または18が設けられておらず、このとき作業端４
は第６図の慣性系の目標軌道21に対して参照符22で示す
大略的に楕円形の起動を描き、したがつて目標軌道21か
ら大きくずれてしまうことがわかる。
発明の効果 以上のように本発明によれば、ロボツト本体がロボツ
ト座標系において浮遊している状態で、そのロボツト本
体の速度または加速度を検出し、この検出出力によつ
て、慣性系での絶対座標系におけるアームの目標値を補
正してアームの修正軌道を生成するようにしたので、ア
ームを目標値に正確にもたらすことが可能となる。
また本発明によれば、前述の先行技術に関連して述べ
た目標対象物、すなわちマーカがなくても、アームを目
標軌道どおりに動かすことができ、さらに、ロボツト本
体に推進力を発生する手段およびトルクを発生する手段
などを必要としない。すわなちロボツト本体に搭載した
検出手段によつてロボツト本体の速度または加速度を検
出し、一方、ロボツト本体が動かないと仮定して生成し
たアームの目標値である軌道指令に足込んで補正を行う
だけで、アームの正確な軌道制御を可能とすることがで
きる。したがつてロボツトのアームの個別的な物理定数
などを正確に同定する必要が全くなく、またアームのパ
ラメータが変動しても、本発明では、何等の変更を行う
必要なく、アームを希望する目的値にもたらすことがで
きる。
したがつて本発明では目標対象物、すなわちマーカが
不要であるので環境に左右されず、目標値にもたらすこ
とができ、あるいは目標軌道を辿らせることができ、ま
たロボツト本体の推進力を得るための手段およびトルク
を発生するトルカなどの手段が不要であるので省エネル
ギー効果が大きく、さらにまた各アーム毎の物理定数で
ある物理パラメータの同定と演算が不要となるので、そ
の演算を行うコンピユータなどの処理手段の負担を軽減
することができ、ロバスト性が向上される。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の一実施例の全体のブロツク図、第２図
はロボツト１の簡略化した斜視図、第３図は加速度検出
手段14に関連する構成を示すブロツク図、第４図は本発
明の他の実施例の速度系18に関連する構成を示すブロツ
ク図、第５図は本件発明者の実験結果を示す簡略化した
ロボツト１を示す図、第６図は本件発明者の実験結果を
示す図、第７図は比較例のロボツト1aを示す簡略化した
図である。 １……ロボツト、２……ロボツト本体、３……アーム、
４……作業端、６……処理回路、8,9,10……加算回路、
11……サーボコントローラ、12,13……演算回路、14…
…加速度検出手段、15……演算回路、16……座標変換演
算回路、18……速度検出手段、19……座標変換演算手段
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 桂川 敬史 兵庫県明石市川崎町１番１号 川崎重工 業株式会社明石工場内 (56)参考文献 特開 平２−141398（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−274484（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ロボツト本体にアームを設け、アームを駆
    動するロボツトと、 アームの慣性系における絶対座標系での目標値を設定す
    る目標値設定手段と、 ロボツト本体に固定され、慣性系におけるロボツト本体
    の速度または加速度を検出する手段と、 目標値設定手段および検出手段からの各出力に応答し、
    目標値を、検出された速度または加速度によつて補正
    し、その補正された値によつてロボツトのアームを駆動
    させる制御手段とを含むことを特徴とする慣性系におけ
    るロボツトの制御装置。
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