JP3142355B2 - Motion posture calculation device for parallel link mechanism - Google Patents

Motion posture calculation device for parallel link mechanism

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JP3142355B2
JP3142355B2 JP5264592A JP5264592A JP3142355B2 JP 3142355 B2 JP3142355 B2 JP 3142355B2 JP 5264592 A JP5264592 A JP 5264592A JP 5264592 A JP5264592 A JP 5264592A JP 3142355 B2 JP3142355 B2 JP 3142355B2
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敏男 福田
一弘 小菅
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Description

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

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、フライトシミュレ−タ
や操船シミュレ−タなどにおいて様々な動揺状態を作り
出す手段として用いられるパラレルリンク機構の運動姿
勢を監視するための装置に関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an apparatus for monitoring the movement posture of a parallel link mechanism used as a means for generating various rocking states in a flight simulator, a boat maneuvering simulator, and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】航空機や船舶などの乗員訓練用として、
操縦訓練者が前方の模擬視界および模擬計器を見ながら
模擬運転し、その際の運転室の動揺を模擬体験するため
の種々のシミュレ−タが実用化されるに至っている。こ
れらシミュレ−タの動揺発生装置は、ヒ−ブ動(上下
動)、ピッチ動(縦揺れ)およびロ−ル動(横揺れ)の
3自由度の動きを与え得るもの、あるいはこれらに更に
サ−ジ動(縦移動)、スエ−動(横移動)およびヨ−動
(垂直軸回りの揺れ)を加えた6自由度のすべての動き
を与え得るものが一般的であり、発生し得る運動の自由
度に対応した本数のリンクを運転室が取り付けられたモ
−ションベ−スと床面に固定された固定ベ−スとの間に
並設して1つのリンク機構を構成し、それぞれのリンク
の長さを変化させてモ−ションベ−スに上記それぞれの
動きを単独に、或いは複数の動きを組み合わせて発生さ
せるように構成したものが知られている。本明細書中で
は、複数のリンクが並設されているという意味でこのよ
うなリンク機構をパラレルリンク機構と呼ぶ。
2. Description of the Related Art For occupant training of aircraft and ships,
Various simulators have been put to practical use, in which a pilot trainer performs simulated driving while looking at a simulated field of view and a simulated instrument in front, and simulates the swaying of the cab at that time. The sway generator of these simulators is capable of giving three degrees of freedom movement of a heave movement (up and down movement), a pitch movement (pitch sway) and a roll movement (rolling sway). A motion that can give all six degrees of freedom motion, including dihedral motion (vertical motion), swivel motion (lateral motion), and yaw motion (sway around the vertical axis), is a general motion that can be generated. A number of links corresponding to the degrees of freedom are arranged in parallel between the motion base on which the operator's cab is mounted and the fixed base fixed on the floor surface to form one link mechanism. It is known to change the length of a link so as to generate each of the above-mentioned movements individually or in combination with a plurality of movements on a motion base. In this specification, such a link mechanism is referred to as a parallel link mechanism in the sense that a plurality of links are arranged in parallel.

【0003】ところで、パラレルリンク機構を用いて航
空機や船舶などの動揺を要求通りに忠実に発生させるる
ためには、独立して時間変化するそれぞれのリンクの長
さに対するコックピット乃至モ−ションベ−スの姿勢を
監視する手段が必要であり、これに関連する技術とし
て、リンクとして用いたフィ−ドバック制御される6本
の油圧シリンダのそれぞれのストロ−ク量を情報としコ
ックピットの6自由度運動姿勢を逆演算する逆変換演算
装置が案出されている(「シュミレータの運動姿勢監視
装置」(特開昭 57-208407号公報))。この逆変換演算
装置を実現するための方式としては種々のものがある
が、多くの場合、次の式(1) で示される演算方式が採用
される。
By the way, in order to generate the movement of an aircraft or a ship faithfully as required by using the parallel link mechanism, a cockpit or a motion base for each independently time-varying link length is required. There is a need for a means for monitoring the attitude of the cockpit. As a related technique, the amount of stroke of each of the six hydraulic cylinders that are feedback-controlled and used as a link is used as information, and the six-degree-of-freedom movement attitude of the cockpit is used. Has been devised ("Simulator movement and posture monitoring device" (Japanese Patent Laid-Open No. 57-208407)). There are various methods for realizing the inverse conversion operation device, but in many cases, an operation method represented by the following equation (1) is adopted.

【0004】 xK+1 =xK +J-1(xK ){ldk−lK } ・・・
(1) 収束判別式|xK+1 −xK |≦一定値 J-1(xK ) はシリアルリンク機構において使用されるヤ
コビ行列の逆行列に相当する行列であり、与えられたリ
ンク長をldk 、モ−ションベ−スの位置/姿勢の第n
次近似をxK 、リンク長をlK (=f( xK )) として、
この式(1) を繰り返し演算することで、モ−ションベ−
スの位置/姿勢が求められる(中嶋他、「パラレルリン
クマニピュレ−タ用制御装置の開発」、第9回日本ロボ
ット学会学術講演会、平成 3年11月)。
X K + 1 = x K + J −1 (x K ) { ld k −l K }
(1) The convergence discriminant expression | x K + 1 −x K | ≦ constant value J −1 (x K ) is a matrix corresponding to the inverse matrix of the Jacobi matrix used in the serial link mechanism. dk , n-th position / posture of motion base
The next approximation is x K and the link length is l K (= f (x K ))
By repeating this equation (1), the motion base
The position / posture of the robot is required (Nakajima et al., "Development of Controller for Parallel Link Manipulator", 9th Annual Conference of the Robotics Society of Japan, November 1991).

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記式
(1) で示される従来の演算方式を用いて、時間変化する
リンクの長さに対してモ−ションベ−スの姿勢を求める
ためには、サンプリング間隔毎にリンクの長さは一定だ
と仮定し、毎回十分な精度が得られるまで収束演算を繰
り返さなければならず、モ−ションベ−スの動揺姿勢を
高精度かつ高速度で演算することはできなかった。
However, the above equation
In order to obtain the motion-based attitude with respect to the time-varying link length using the conventional calculation method shown in (1), it is assumed that the link length is constant at each sampling interval. However, the convergence calculation must be repeated until sufficient accuracy is obtained each time, and the motion-base oscillating posture cannot be calculated with high accuracy and high speed.

【0006】本発明の目的は、上記課題を解決し、モ−
ションベ−スの動揺姿勢を高精度かつ高速度で求めるこ
とができるパラレルリンク機構の運動姿勢演算装置を提
供することにある。
[0006] An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a module.
It is an object of the present invention to provide a motion / posture calculating device for a parallel link mechanism capable of determining a swinging posture of a shock base with high accuracy and high speed.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
第1の発明のパラレルリンク機構の運動姿勢演算装置
は、長さが自在に変化するn本のリンクでモ−ションベ
−スを固定ベ−ス上に支持してなるn自由度パラレルリ
ンク機構において、実際のリンク機構を数値モデル化し
た仮想機構を有し、この仮想機構はリンク長さの微分値
l′(t) に逆ヤコビ行列J-1(x(t))を乗じて得られたモ
−ションベ−スの位置/姿勢の微分変化量x′(t) を積
分してモ−ションベ−スの位置/姿勢x(t) を求め、さ
らにこの位置/姿勢x(t) から仮想リンク長さl(t) を
算出するようになっており、時刻tにおける実際のリン
ク長さld (t) から上記仮想機構で算出した仮想リンク
長さl(t) を減じた値に定数Kを乗じて得られた値を用
いて上記仮想機構で演算した結果得られたモ−ションベ
−スの位置/姿勢xd (t) を実際の位置/姿勢とする演
算装置を備えたものである。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a motion / posture calculating apparatus for a parallel link mechanism, wherein a motion base is fixed by n links whose lengths can be freely changed. In the n-degree-of-freedom parallel link mechanism supported on a link, there is provided a virtual mechanism obtained by numerically modeling an actual link mechanism, and this virtual mechanism adds an inverse Jacobian matrix to the derivative l ′ (t) of the link length. J- 1 (x (t)) is multiplied by the motion / base position / posture differential variation x '(t) to integrate the motion base position / posture x (t). And the virtual link length l (t) is calculated from the position / posture x (t). The virtual link length l d (t) at time t is calculated by the virtual mechanism. The result calculated by the above virtual mechanism using the value obtained by multiplying the value obtained by subtracting the virtual link length l (t) by the constant K. The resulting mode - Shonbe - those having an arithmetic unit to scan the position / posture x d (t) the actual position / posture.

【0008】また、第2の発明のパラレルリンク機構の
運動姿勢演算装置は、長さが自在に変化するn本のリン
クでモ−ションベ−スを固定ベ−ス上に支持してなるn
自由度パラレルリンク機構において、実際のリンク機構
を数値モデル化した仮想機構を有し、この仮想機構はリ
ンク長さの微分値l′(t) に逆ヤコビ行列J-1(x(t))を
乗じて得られたモ−ションベ−スの位置/姿勢の微分変
化量x′(t) を積分してモ−ションベ−スの位置/姿勢
x(t) を求め、さらにこの位置/姿勢x(t) から仮想リ
ンク長さl(t) を算出するようになっており、時刻tに
おける実際のリンク長さld (t) から上記仮想機構で算
出した仮想リンク長さl(t) を減じた値に定数Kを乗
じ、その値に上記リンク長さld (t) の微分値を加算し
て得られた値を用いて上記仮想機構で演算した結果得ら
れたモ−ションベ−スの位置/姿勢x(t) を実際の位置
/姿勢とする演算装置を備えたものである。
The motion posture calculating device for a parallel link mechanism according to a second aspect of the present invention has a structure in which a motion base is supported on a fixed base by n links whose lengths can be changed freely.
In the parallel link mechanism having a degree of freedom, a virtual mechanism having a numerical model of an actual link mechanism is provided, and this virtual mechanism converts an inverse Jacobian matrix J −1 (x (t)) into a differential value l ′ (t) of the link length. Is integrated to obtain the position / posture x (t) of the motion base, and the position / posture x (t) of the motion base is obtained. (t), the virtual link length l (t) is calculated. From the actual link length l d (t) at time t, the virtual link length l (t) calculated by the virtual mechanism is calculated. A motion base obtained as a result of calculation by the virtual mechanism using a value obtained by multiplying the subtracted value by a constant K and adding the differential value of the link length l d (t) to the value, is used. Is provided with an arithmetic unit for setting the position / posture x (t) of the above to the actual position / posture.

【0009】[0009]

【作用】図1、図2はそれぞれ上記第1、第2の発明に
係る演算装置の演算方式を示す制御系のブロック線図で
あり、実際のパラレルリンク機構を数値モデル化した仮
想機構と、時刻tにおけるリンクの長さ(ベクトル)か
ら仮想機構で算出した仮想リンクの長さl(t) を減じた
値に定数Kを乗じる伝達要素Kとを有している点が両者
共通している。第1の発明の演算方式は、構成上、第2
の発明の演算方式に微分要素s(リンク長さld (t)
(ベクトル)の微分項)を付加したものであるといえ
る。
FIGS. 1 and 2 are block diagrams of a control system showing the operation method of the operation device according to the first and second aspects of the present invention, respectively. Both have a common point in that a transmission element K is obtained by multiplying a constant K by a value obtained by subtracting the length l (t) of the virtual link calculated by the virtual mechanism from the length (vector) of the link at time t. . The operation method according to the first invention has a
The differential method s (link length l d (t)
(Differential term of (vector)).

【0010】そこで先ず、第1、第2の発明に共通する
仮想機構を構成する各伝達要素f(x(t))、J-1(x
(t))、1/sについて簡単に説明しておく。
Therefore, first, each transmission element f (x (t)), J −1 (x
(t)) and 1 / s will be briefly described.

【0011】f(x(t)): f(x(t))は、モ−ション
ベ−スの位置/姿勢を表すn次元ベクトルx(t)を用い
て、要素がそれぞれのリンク長さli (t) (i=1,2,
3,...,n) からなるベクトル
F (x (t)): f (x (t)) is an n-dimensional vector x (t) representing the position / posture of the motion base, and the elements are represented by respective link lengths l. i (t) (i = 1,2,
3, ..., n)

【0012】[0012]

【数1】 (Equation 1)

【0013】を計算するパラレルリンク機構の逆運動学
計算を表し、 l(t) =f(x(t) ) の関係がある。
Represents the inverse kinematics calculation of the parallel link mechanism, which has the following relationship: l (t) = f (x (t)).

【0014】J-1(x(t)): J(x(t))は、関数f(x(t))
のヤコビ行列であり、J-1(x(t))はその逆行列(逆ヤコ
ビ行列)である。J-1(x(t))は、リンクの速度を表すベ
クトルl′(t) とモ−ションベ−スの速度を表すベクト
ルx′(t) との関係を表し、 x′(t) =J-1(x(t))l′(t) の関係がある。
J -1 (x (t)): J (x (t)) is a function f (x (t))
And J −1 (x (t)) is its inverse matrix (inverse Jacobian matrix). J -1 (x (t)) represents the relationship between the vector l '(t) representing the speed of the link and the vector x' (t) representing the speed of the motion base, and x '(t) = J -1 (x (t)) l '(t).

【0015】1/s: 1/sは、積分要素を表す。1 / s: 1 / s represents an integral element.

【0016】第1の発明の演算方式は、微分要素sの効
果により、l(t) の時間変化が急速な場合にも適用可能
である。これに対し、第2の発明の演算方式はl(t) の
時間変化が比較的ゆるやかな場合に適用される。したが
って、パラレルリンク機構の高速動作を考慮すると、第
1の発明の演算方式の方が第2の発明の演算方式よりも
理想的なものであるといえよう。
The operation method according to the first aspect of the invention can be applied to the case where the time change of l (t) is rapid due to the effect of the differential element s. On the other hand, the operation method of the second invention is applied when the time change of l (t) is relatively slow. Therefore, in consideration of the high-speed operation of the parallel link mechanism, it can be said that the operation method of the first invention is more ideal than the operation method of the second invention.

【0017】そこで、ここでは図1に示される制御系の
安定性について説明する。
Therefore, the stability of the control system shown in FIG. 1 will be described here.

【0018】モ−ションベ−スの出力(位置/姿勢)x
(t) の速度が次式のように制御できるとする。 x′(t) =u(t) ・・・(2) ここで、u(t) はモ−ションベ−スへの速度指令入力で
ある。
Output of motion base (position / posture) x
Suppose that the speed of (t) can be controlled as follows. x '(t) = u (t) (2) where u (t) is a speed command input to the motion base.

【0019】リンクの変位l(t) とモ−ションベ−スの
出力x(t) との間には、 l(t) =f(x(t)) ・・・(3) なる関係がある。
There is a relationship between the link displacement l (t) and the motion base output x (t) as follows: l (t) = f (x (t)) (3) .

【0020】このとき(3) 式から l′(t) =J(x(t))x′(t) ・・・(4) が得られ、これを変形すると x′(t) =J-1(x(t))l′(t) ・・・(5) の関係が成立する。ただし、J(x(t))は正則行列とす
る。
[0020] In this case (3) l from equation '(t) = J (x (t)) x' (t) ··· (4) is obtained by modifying this x '(t) = J - 1 (x (t)) l '(t) (5) Here, J (x (t)) is a regular matrix.

【0021】(2) 式に対して u(t) =J-1(x(t)){l′d (t) +K(ld (t) −f(x(t)) } ・・・(6) なるフィ−ドバックを考えると、 x′(t) =J-1(x(t)){l′d (t) +K(ld (t) −f(x(t)) }・・・(7) が成立し、(3) ,(5) ,(7) 式から J-1(x(t))l ′(t) =J-1(x(t)){l′d (t) +K(ld (t) −l(t)) } J-1(x(t)){l′d (t) −l′(t) +K(ld (t) −l(t)) }=0・・(8) が成立する。[0021] (2) u (t) with respect to formula = J -1 (x (t) ) {l 'd (t) + K (l d (t) -f (x (t))} ··· (6) becomes Fi - Given to feedback, x '(t) = J -1 (x (t)) {l' d (t) + K (l d (t) -f (x (t))} · .. (7) holds, and from equations (3), (5) and (7), J −1 (x (t)) l ′ (t) = J −1 (x (t)) {l ′ d (t) + K (l d (t) −l (t))} J −1 (x (t)) {l ′ d (t) −l ′ (t) + K (l d (t) −l (t ))} = 0 .. (8) holds.

【0022】J(x(t))は正則行列であると仮定したので l′d (t) −l′(t) +K(ld (t) −l(t)) =0 ・・・(9) が常に成立する。[0022] J (x (t)) because it was assumed to be a regular matrix l 'd (t) -l' (t) + K (l d (t) -l (t)) = 0 ··· ( 9) always holds.

【0023】ここで、ld (t) −l(t) =e(t) と定義
すると、 e´(t) +Ke(t) =0 ・・・(10) これを解くと e(t) =e -Kt e(0) ・・・(11) となるので、Kを正定行列あるいは正の実数と選べば誤
差e(t) が時間と共に収束する。
Here, if it is defined that l d (t) −l (t) = e (t), e ′ (t) + Ke (t) = 0 (10) When this is solved, e (t) = E -Kt e (0) (11). If K is selected as a positive definite matrix or a positive real number, the error e (t) converges with time.

【0024】このとき図1の制御系においては ld (t) = f(x(t)) ・・・(12) となるので、そのときのx(t) はld (t) =f( x
d (t) ) の一つの解となる。
At this time, in the control system of FIG. 1, l d (t) = f (x (t)) (12), so that x (t) at that time is l d (t) = f (x
d (t)).

【0025】次に、仮想機構のシミュレ−ションに必要
な数値積分にともなう誤差はないものとして、本発明に
係る演算方式による計算誤差を求める。
Next, assuming that there is no error associated with the numerical integration required for the simulation of the virtual mechanism, a calculation error by the calculation method according to the present invention is obtained.

【0026】与えられたld (t) に対し ld (t) = f(xd (t)) ・・・(13) なるxd (t) を高速かつ高精度で求めるのが本発明の目
的である。ここで関数fは、xd (t) とld (t) との関
係を表すが、一般に解析的には解くことができない。
The seek given l d (t) to l d (t) = f ( x d (t)) and (13) becomes x d (t) at high speed and with high precision the present invention Is the purpose. Here, the function f represents the relationship between x d (t) and l d (t), but cannot generally be solved analytically.

【0027】xd (t) の計算誤差は、それに対応するリ
ンクの長さで、 e(t) = f(x(t))− f(xd (t)) ・・・(14) と評価することにする。
The calculation error of x d (t) is the length of the link corresponding to it, and e (t) = f (x (t)) − f (x d (t)) (14) I will evaluate it.

【0028】ここで、x(t) は、時刻tにおいて計算さ
れているモ−ションベ−スの位置/姿勢である。
Here, x (t) is the position / posture of the motion base calculated at time t.

【0029】この演算方式では、計算誤差e(t) は、(1
0)式より e´(t) =−Ke(t) ・・・(15) で表され、 e(t) =e -Kt e(0) ・・・(16) と計算できる。ただし、 e(0) =x(0) −xd (0) ・・・(17) となり、誤差の収束時間は、ld (t) が時間に関して一
階微分可能である限りは、時間変化するld (t) とは関
係なく、パラメータKの選定により自由に選ぶことがで
きる。
In this operation method, the calculation error e (t) is (1
From equation (0 ), it can be expressed as e ' (t) =-Ke (t) (15), and can be calculated as e (t) = e- Kt e (0) (16). Here, e (0) = x (0) −x d (0) (17), and the convergence time of the error is represented by the time change as long as l d (t) can be first-order differentiable with respect to time. Irrespective of l d (t), the parameter K can be freely selected.

【0030】これに対し、従来の方式では、前述したよ
うに、サンプリング間隔毎に、毎回十分な精度が得られ
るまで収束演算を何回も繰り返す必要がある。本発明に
係る演算方式では、同様の収束演算をサンプリング間隔
毎に一回だけ行えばよく、その計算誤差は時間(計算回
数)と共に零に収束する。また、計算誤差が一度零にな
れば、あとは誤差なくモ−ションベ−スの位置/姿勢を
求めることができる。
On the other hand, in the conventional method, as described above, it is necessary to repeat the convergence calculation many times at each sampling interval until sufficient accuracy is obtained each time. In the calculation method according to the present invention, the same convergence calculation needs to be performed only once at each sampling interval, and the calculation error converges to zero with time (the number of calculations). Further, once the calculation error becomes zero, the position / posture of the motion base can be obtained without error.

【0031】[0031]

【実施例】以下、本発明の一実施例を添付図面に基いて
詳述する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.

【0032】図3には、6自由度パラレルリンク機構を
用いた操船シミュレ−タが示されている。1は船体形状
を模した運転室で、運転室1は円盤状のモ−ションベ−
ス2上に取り付けられている。モ−ションベ−ス2は、
床面に固定された固定ベ−ス3上に配置された6本の油
圧シリンダ4〜9によって支持されている。これらの油
圧シリンダ4〜9の両端は固定ベ−ス3上の3箇所に配
設された軸受10〜12およびモ−ションベ−ス2の下
面の3箇所に配設された軸受13〜15で支持されてい
る。固定ベ−ス3側の各軸受10〜12は、隣合う2本
の油圧シリンダの基部をそれぞれ回動自在に支持し、モ
−ションベ−ス2側の各軸受13〜15は、固定ベ−ス
3側の相異なる軸受10〜12に支持された隣り合う2
本の油圧シリンダの先端部をそれぞれ回転自在に支持し
ている。16〜21は油圧シリンダ4〜9にそれぞれ取
り付けられた電気油圧サ−ボ弁で、これらサ−ボ弁16
〜21は、後述する制御回路(図4)から得られる信号
によりそれぞれの油圧シリンダ4〜9を操作する。22
〜27は油圧シリンダ4〜9の変位を検出する変位検出
器である。
FIG. 3 shows a ship maneuvering simulator using a six-degree-of-freedom parallel link mechanism. Reference numeral 1 denotes an operator cab imitating a hull shape, and the operator cab 1 is a disk-shaped motion base.
Mounted on the surface 2. The motion base 2 is
It is supported by six hydraulic cylinders 4 to 9 arranged on a fixed base 3 fixed to the floor surface. Both ends of these hydraulic cylinders 4 to 9 are provided with bearings 10 to 12 provided at three places on the fixed base 3 and bearings 13 to 15 provided at three places on the lower surface of the motion base 2. Supported. The bearings 10 to 12 on the fixed base 3 side rotatably support the bases of two adjacent hydraulic cylinders, and the bearings 13 to 15 on the motion base 2 side are fixed bases. Adjacent two supported by different bearings 10 to 12 on the
The distal ends of the hydraulic cylinders are rotatably supported. Reference numerals 16 to 21 denote electric hydraulic servo valves mounted on the hydraulic cylinders 4 to 9, respectively.
21 operate the respective hydraulic cylinders 4 to 9 by signals obtained from a control circuit (FIG. 4) described later. 22
Numerals 27 indicate displacement detectors for detecting displacements of the hydraulic cylinders 4-9.

【0033】図4において、30は船舶の運動条件に応
じて船舶の運動特性を計算し、船舶の3軸方向の運動で
あるサ−ジ、スエ−およびヒ−ブの運動と、船舶の3軸
回りの回動運動であるヨ−、ピッチおよびロ−ルの各運
動と、前記各運動を組み合わせた6自由度運動を行わせ
るための6自由度運動指令信号xc (t) を出力する動揺
計算処理装置、31は6自由度運動指令信号xc (t) を
各油圧シリンダ4〜9の変位指令信号lc (t) に変換す
る座標変換装置、32は加算器32aとサ−ボ増幅器3
2bからなり、各油圧シリンダ4〜9の変位量を制御す
るサ−ボ制御装置である。
In FIG. 4, reference numeral 30 indicates the motion characteristics of the ship in accordance with the motion conditions of the ship, and the movement of the surge, sweep and heave, which is the motion of the ship in three axial directions, and the motion of the ship. It outputs a six-degree-of-freedom movement command signal xc (t) for performing a six-degree-of-freedom movement obtained by combining each of the yaw, pitch and roll movements, which are rotational movements around an axis, and the above-mentioned respective movements. A motion calculation processor 31, a coordinate converter 31 for converting the six-degree-of-freedom motion command signal x c (t) into a displacement command signal l c (t) for each of the hydraulic cylinders 4 to 9, and 32 a adder 32a and a servo Amplifier 3
2b is a servo control device for controlling the displacement of each of the hydraulic cylinders 4 to 9.

【0034】33は第1の発明に係る運動姿勢演算装置
であり、本実施例において運動姿勢演算装置33は、各
油圧シリンダ4〜9の実際の変位量を検出する変位検出
器22〜27の信号より得られる時刻tにおけるシリン
ダ長ld (t) (6成分ベクトル)からモ−ションベ−ス
2の6自由度運動姿勢を演算によって求め、モ−ション
ベ−ス2の位置/姿勢xd (t) を出力する機能を備えて
いる。すなわち、運動姿勢演算装置33の要部をなす演
算装置は、本実施例においては実際の6自由度パラレル
リンク機構を数値モデル化した仮想機構を有し、実際の
シリンダ長さld (t) から仮想リンク機構で算出した仮
想リンク長さlを減じた値に定数Kを乗じ、その値に上
記シリンダ長さld (t) の微分値ld ′(t) を加算して
得られた値で仮想機構を仮想的に動かした結果得られた
モ−ションベ−ス2の位置/姿勢xd (t) を実際の位置
/姿勢として出力するように構成されている(図1参
照)。
Reference numeral 33 denotes a motion / posture calculating device according to the first invention. In this embodiment, the motion / posture calculating device 33 comprises a displacement detector 22 to 27 for detecting the actual displacement of each of the hydraulic cylinders 4 to 9. From the cylinder length l d (t) (six-component vector) at time t obtained from the signal, the six-degree-of-freedom movement posture of the motion base 2 is calculated, and the position / posture x d ( t) is output. That is, in the present embodiment, the arithmetic device which is a main part of the exercise posture arithmetic device 33 has a virtual mechanism obtained by numerically modeling the actual 6-DOF parallel link mechanism, and the actual cylinder length l d (t) Is obtained by multiplying a value obtained by subtracting the virtual link length 1 calculated by the virtual link mechanism from the above by a constant K, and adding the derivative value l d ′ (t) of the cylinder length l d (t) to the value. The position / posture x d (t) of the motion base 2 obtained as a result of virtually moving the virtual mechanism with the value is output as the actual position / posture (see FIG. 1).

【0035】34は運動姿勢演算装置33から出力され
るモ−ションベ−ス2の実際の位置/姿勢xd (t) と動
揺計算処理装置30から出力される6自由度運動指令信
号xc (t) とが入力され、操船シミュレ−タの制御特性
を評価する運動性能評価装置である。
Numeral 34 denotes an actual position / posture x d (t) of the motion base 2 output from the motion / posture calculation device 33 and a six-degree-of-freedom motion command signal x c (output from the motion calculation processing device 30). t) is inputted, and the exercise performance evaluation device evaluates the control characteristics of the ship maneuvering simulator.

【0036】次に、本実施例の作用について説明する。Next, the operation of this embodiment will be described.

【0037】動揺計算処理装置30から出力される6自
由度運動指令信号xc (t) は座標変換装置31に入力さ
れ、ここで各油圧シリンダ4〜9の変位指令信号l
c (t) に変換される。すなわち座標変換装置31では、
c (t) =f(xc (t))で表される関数演算を行う。こ
の変位指令信号lc (t) はサ−ボ制御装置32に入力さ
れる。
The six-degree-of-freedom motion command signal x c (t) output from the motion calculation processing device 30 is input to the coordinate conversion device 31, where the displacement command signal l for each of the hydraulic cylinders 4 to 9 is input.
Converted to c (t). That is, in the coordinate conversion device 31,
A function operation represented by l c (t) = f (x c (t)) is performed. The displacement command signal l c (t) is input to the servo control device 32.

【0038】一方、変位検出器22〜27から出力され
る変位信号はサ−ボ制御装置32のそれぞれの位置フィ
−ドバック信号として用いられ、かつサ−ボ制御装置3
2の各加算器32aへ入力され、各油圧シリンダ4〜9
の変位指令信号lc (t) と比較される。この場合、加算
器32aに偏差信号があるときには、この偏差信号が零
となるようにサ−ボ増幅機32bを介して各油圧シリン
ダ4〜9により、モ−ションベ−ス2は複合動作を行
う。このときモ−ションベ−ス2の制御状態を把握して
おくためには、モ−ションベ−ス2の実際の運動姿勢を
観測する必要がある。
On the other hand, the displacement signals output from the displacement detectors 22 to 27 are used as respective position feedback signals of the servo control device 32, and the servo control device 3
2 is input to each adder 32a, and each of the hydraulic cylinders 4 to 9
Is compared with the displacement command signal l c (t). In this case, when there is a deviation signal in the adder 32a, the motion base 2 performs a combined operation by the hydraulic cylinders 4 to 9 via the servo amplifier 32b so that the deviation signal becomes zero. . At this time, in order to grasp the control state of the motion base 2, it is necessary to observe the actual motion posture of the motion base 2.

【0039】そこで、運動姿勢演算装置33により、変
位検出器22〜27の信号に基づく時刻tにおける実際
のシリンダ長さld (t) からモ−ションベ−ス2の位置
/姿勢xd (t) を検出する。すなわち、運動姿勢演算装
置33はその演算装置により、前記(7) 式の演算を行
い、その解として求められたxd (t) をモ−ションベ−
ス2の実際の位置/姿勢として運動性能評価装置34へ
出力する。運動性能評価装置34では、運動姿勢演算装
置33の出力信号xd (t) と動揺計算処理装置30の出
力信号xc (t) とを比較することにより、モ−ションベ
−ス2の6自由度の各運動成分に対する位置精度および
応答性が計算され、モ−ションベ−ス2の制御状態が評
価される。
Therefore, the motion / posture calculating device 33 calculates the position / posture x d (t) of the motion base 2 from the actual cylinder length l d (t) at time t based on the signals of the displacement detectors 22 to 27. ) Is detected. That is, the motion / posture calculation device 33 performs the calculation of the above equation (7) by using the calculation device, and calculates x d (t) obtained as a solution to the motion base.
And outputs the actual position / posture of the exercise 2 to the exercise performance evaluation device 34. In exercise performance evaluation device 34, by comparing the output signal x c of the output signal x d (t) and the motion calculation processing unit 30 of the motion and orientation calculation unit 33 (t), mode - Shonbe - of scan 2 6 free The position accuracy and responsiveness of each degree motion component are calculated, and the control state of the motion base 2 is evaluated.

【0040】上述したように、本発明に係る運動姿勢演
算装置33は、(7) 式の解x(t)を求めるための
収束演算をサンプリング間隔毎に一回だけ行えばよく、
また、その計算誤差が一度零になれば、あとは誤差なく
モ−ションベ−スの位置/姿勢x(t) を求める
ことができるので、モ−ションベ−ス2の運動姿勢を高
速且つ高精度に求めることができる。したがって、運動
性能評価装置34によるモ−ションベ−ス2の制御状態
評価も信頼性の良いものとすることができ、結果として
精度の高い制御を実現することができる。
As described above, the motion and posture calculation device 33 according to the present invention only needs to perform the convergence calculation for obtaining the solution x d (t) of the equation (7) once at each sampling interval.
Further, once the calculation error becomes zero, the position / posture x d (t) of the motion base can be obtained without any error. Accuracy can be obtained. Therefore, the control state evaluation of the motion base 2 by the exercise performance evaluation device 34 can be made highly reliable, and as a result, highly accurate control can be realized.

【0041】なお、本発明に係る運動姿勢演算装置は、
6自由度のパラレルリンク機構に限らず、それ以下の自
由度、例えば3自由度のパラレルリンク機構の運動姿勢
監視にも適用できる。
The exercise posture calculating device according to the present invention comprises:
The present invention can be applied not only to a parallel link mechanism having six degrees of freedom but also to monitoring of a movement posture of a parallel link mechanism having three or more degrees of freedom.

【0042】また、ld (t) の時間変化がゆるやかな場
合は微分値ld ′(t) を加算しない方式、すなわち第2
の発明の演算方式を用いても近似的なxd (t) を求める
ことができる。
When the time change of l d (t) is gradual, a system in which the differential value l d ′ (t) is not added, ie, the second
Approximate x d (t) can also be obtained by using the calculation method of the invention of the invention.

【0043】[0043]

【発明の効果】以上要するに、本発明によればモ−ショ
ンベ−スの位置/姿勢を高速度で求めることができるの
で、精度の高い制御を実現できる。
In summary, according to the present invention, since the position / posture of the motion base can be obtained at a high speed, highly accurate control can be realized.

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

【図1】本発明に係る演算方式を示すブロック線図であ
る。
FIG. 1 is a block diagram showing a calculation method according to the present invention.

【図2】本発明に係る演算方式を示すブロック線図であ
る。
FIG. 2 is a block diagram showing a calculation method according to the present invention.

【図3】6自由度パラレルリンク機構を用いた操船シミ
ュレ−タの概略構成図である。
FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a ship maneuvering simulator using a six-degree-of-freedom parallel link mechanism.

【図4】本発明の運動姿勢演算装置を備えて構成された
シミュレ−タ制御回路を示すブロック線図である。
FIG. 4 is a block diagram showing a simulator control circuit provided with the exercise posture calculating device of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 船体形状を模した操縦室 2 モ−ションベ−ス 3 固定ベ−ス 4〜9 リンクとして用いた油圧シリンダ 13〜15 軸受 16〜21 電気油圧サ−ボ弁 22〜27 変位検出器 30 動揺計算処理装置 31 変換する座標変換装置 32 サ−ボ制御装置 32a 加算器 32b サ−ボ増幅器 33 本発明に係る運動姿勢演算装置 34 運動性能評価装置 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control room imitating ship hull 2 Motion base 3 Fixed base 4-9 Hydraulic cylinder used as link 13-15 Bearing 16-21 Electrohydraulic servo valve 22-27 Displacement detector 30 Motion calculation Processing device 31 Coordinate conversion device for conversion 32 Servo control device 32a Adder 32b Servo amplifier 33 Exercise / posture operation device according to the present invention 34 Exercise performance evaluation device

フロントページの続き (72)発明者 小菅 一弘 愛知県名古屋市緑区鳴海町黒石2−10 合同宿舎滝ノ水住宅5−103 (72)発明者 小塚 敏紀 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川 島播磨重工業株式会社 東二テクニカル センター内 (72)発明者 水野 智夫 東京都江東区豊洲三丁目1番15号 石川 島播磨重工業株式会社 東二テクニカル センター内 (56)参考文献 小菅一弘,外4名,”Stewatr Platform 型パラレルリンク マニピュレータの Forward K inematics 計算アルゴリズ ム”,日本ロボット学会誌,1993年,V ol.11,No.6,p.849−855 小菅一弘,外5名,”パラレルリンク マニピュレータの力解析”,第10回ロボ ット学会学術講演会予稿集,平成4年10 月31日,p.761−762 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G06F 19/00 110 F16H 21/46 G09B 9/06 G09B 9/14 JICSTファイル(JOIS)Continuing on the front page (72) Inventor Kazuhiro Kosuge 2-10 Kuroishi, Narumi-cho, Midori-ku, Nagoya-shi, Aichi Prefecture 5-103 Joint Tatemono Takinosui House 5-103 (72) Inventor Toshiki Kozuka 3-1-1, Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawajima Harima Heavy Industries Co., Ltd. Tojin Technical Center (72) Inventor Tomio Mizuno 3-1-1-15 Toyosu, Koto-ku, Tokyo Ishikawa Shima Harima Heavy Industries Co., Ltd. Tojin Technical Center (56) References Kazuhiro Kosuge, 4 others, "Forward Kinematics Computational Algorithm for Stewart Platform Parallel Link Manipulator", Journal of the Robotics Society of Japan, 1993, Vol. 11, No. 6, p. 849-855 Kazuhiro Kosuge, et al., "Force Analysis of Parallel Link Manipulators," Proc. Of the 10th Robotics Society Conference, October 31, 1992, p. 761-762 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) G06F 19/00 110 F16H 21/46 G09B 9/06 G09B 9/14 JICST file (JOIS)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 長さが自在に変化するn本のリンクでモ
−ションベ−スを固定ベ−ス上に支持してなるn自由度
パラレルリンク機構において、実際のリンク機構を数値
モデル化した仮想機構を有し、この仮想機構はリンク長
さの微分値l′(t) に逆ヤコビ行列J-1(x(t))を乗じて
得られたモ−ションベ−スの位置/姿勢の微分変化量
x′(t) を積分してモ−ションベ−スの位置/姿勢x
(t) を求め、さらにこの位置/姿勢x(t) から仮想リン
ク長さl(t) を算出するようになっており、時刻tにお
ける実際のリンク長さld (t) から上記仮想機構で算出
した仮想リンク長さl(t) を減じた値に定数Kを乗じ、
その値に上記リンク長さld(t) の微分値を加算して得
られた値を用いて上記仮想機構で演算した結果得られた
モ−ションベ−スの位置/姿勢x(t) を実際の位置/姿
勢とする演算装置を備えたことを特徴とするパラレルリ
ンク機構の運動姿勢演算装置。
An actual link mechanism is numerically modeled in an n-degree-of-freedom parallel link mechanism in which a motion base is supported on a fixed base by n links whose lengths can be freely changed. The virtual mechanism has a virtual mechanism. The virtual mechanism calculates the position / posture of the motion base obtained by multiplying the differential value l ′ (t) of the link length by the inverse Jacobian matrix J −1 (x (t)). The differential change x '(t) is integrated to obtain the position / posture x of the motion base.
(t), and a virtual link length l (t) is calculated from the position / posture x (t), and the virtual mechanism is calculated from the actual link length l d (t) at time t. Multiply the value obtained by subtracting the virtual link length l (t) calculated in the above by a constant K,
Using the value obtained by adding the differential value of the link length l d (t) to that value, the position / posture x (t) of the motion base obtained as a result of calculation by the virtual mechanism using the value obtained. A motion and posture calculation device for a parallel link mechanism, comprising a calculation device for setting an actual position / posture.
【請求項2】 長さが自在に変化するn本のリンクでモ
−ションベ−スを固定ベ−ス上に支持してなるn自由度
パラレルリンク機構において、実際のリンク機構を数値
モデル化した仮想機構を有し、この仮想機構はリンク長
さの微分値l′(t) に逆ヤコビ行列J-1(x(t))を乗じて
得られたモ−ションベ−スの位置/姿勢の微分変化量
x′(t) を積分してモ−ションベ−スの位置/姿勢x
(t) を求め、さらにこの位置/姿勢x(t) から仮想リン
ク長さl(t) を算出するようになっており、時刻tにお
ける実際のリンク長さld (t) から上記仮想機構で算出
した仮想リンク長さl(t) を減じた値に定数Kを乗じて
得られた値を用いて上記仮想機構で演算した結果得られ
たモ−ションベ−スの位置/姿勢xd (t) を実際の位置
/姿勢とする演算装置を備えたことを特徴とするパラレ
ルリンク機構の運動姿勢演算装置。
2. An n-degree-of-freedom parallel link mechanism in which a motion base is supported on a fixed base by n links whose lengths can be freely changed, an actual link mechanism is numerically modeled. The virtual mechanism has a virtual mechanism. The virtual mechanism calculates the position / posture of the motion base obtained by multiplying the differential value l ′ (t) of the link length by the inverse Jacobian matrix J −1 (x (t)). The differential change x '(t) is integrated to obtain the position / posture x of the motion base.
(t), and a virtual link length l (t) is calculated from the position / posture x (t), and the virtual mechanism is calculated from the actual link length l d (t) at time t. The position / posture x d () of the motion base obtained as a result of calculation by the above-described virtual mechanism using a value obtained by multiplying the value obtained by subtracting the virtual link length l (t) calculated in the above by a constant K, is used. a motion / posture calculation device for a parallel link mechanism, comprising a calculation device for setting t) as an actual position / posture.
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小菅一弘,外5名,"パラレルリンクマニピュレータの力解析",第10回ロボット学会学術講演会予稿集,平成4年10月31日,p.761−762

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