JP6558727B2 - 3D shape estimation device and 3D shape estimation method of flexible elastic body - Google Patents

3D shape estimation device and 3D shape estimation method of flexible elastic body Download PDF

Info

Publication number
JP6558727B2
JP6558727B2 JP2015099505A JP2015099505A JP6558727B2 JP 6558727 B2 JP6558727 B2 JP 6558727B2 JP 2015099505 A JP2015099505 A JP 2015099505A JP 2015099505 A JP2015099505 A JP 2015099505A JP 6558727 B2 JP6558727 B2 JP 6558727B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
axis
joint
elastic body
calculating
pseudo
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2015099505A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2016217748A (en
Inventor
洋 望山
洋 望山
亮 ▲高▼野
亮 ▲高▼野
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Tsukuba NUC
Original Assignee
University of Tsukuba NUC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Tsukuba NUC filed Critical University of Tsukuba NUC
Priority to JP2015099505A priority Critical patent/JP6558727B2/en
Publication of JP2016217748A publication Critical patent/JP2016217748A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6558727B2 publication Critical patent/JP6558727B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、三次元形状推定装置及び可撓性弾性体の三次元形状推定方法に関する。 The present invention relates to a three-dimensional shape estimation device and a flexible elastic body three-dimensional shape estimation method.

高度なロボット技術の発展には、可動体の姿勢や力を検出するための、センサ技術の進化が不可欠である。
非特許文献1及び2には、そのようなロボットに適用されるセンサが開示されている。
For the development of advanced robot technology, the evolution of sensor technology for detecting the posture and force of movable bodies is indispensable.
Non-Patent Documents 1 and 2 disclose sensors applied to such robots.

「シェイプテープ」株式会社ソリッドレイ研究所[2015年4月23日検索]、インターネット<URL:http://www.solidray.co.jp/product/3dglove/shapetape.html>“Shape Tape” Solid Ray Laboratory Co., Ltd. [Search April 23, 2015], Internet <URL: http://www.solidray.co.jp/product/3dglove/shapetape.html> 「マスタースレーブロボット指令用フレキシブルセンサーチューブ」旭光電機株式会社[2015年4月23日検索]、インターネット<URL:http://www.kyokko.co.jp/technology/fst-03.html>“Master Sensor Robot Flexible Command Tube” Asahi Electric Co., Ltd. [Search April 23, 2015], Internet <URL: http://www.kyokko.co.jp/technology/fst-03.html>

上記の非特許文献1及び非特許文献2に開示されるセンサ装置は、多数のセンサモジュールを内蔵して、可動体の姿勢を検出する。このようなセンサの数を低減させることができれば、より低コストなセンサの実現に繋がる。   The sensor devices disclosed in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 described above incorporate a large number of sensor modules and detect the posture of the movable body. If the number of such sensors can be reduced, it will lead to the realization of a lower cost sensor.

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、6軸センサ1個で、6軸センサに取り付けられた可撓性弾性体の形状を迅速に推定できる、三次元形状推定装置及び可撓性弾性体の三次元形状推定方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and a three-dimensional shape estimation device and a flexible device capable of quickly estimating the shape of a flexible elastic body attached to a six-axis sensor with one six-axis sensor. An object of the present invention is to provide a method for estimating the three-dimensional shape of an elastic body.

上記課題を解決するために、本発明の三次元形状推定装置は、三次元方向の力とトルクを検出する6軸センサと、6軸センサに取り付けられ、先端に加わる外力によって変形する弾性体と、弾性体の三次元形状を推定する座標演算部とを具備する。
座標演算部は、弾性体を、所定の長さを有する疑似剛体とバネ定数を有する関節の集合体よりなる離散化モデルとして見做し、バネ定数と、6軸センサから得られる力の情報とトルクの情報に基づいて、弾性体が外力に対して静的つり合いをなす屈曲形状を推定演算する。
In order to solve the above problems, a three-dimensional shape estimation device of the present invention includes a six-axis sensor that detects a force and torque in a three-dimensional direction, and an elastic body that is attached to the six-axis sensor and deforms due to an external force applied to the tip. And a coordinate calculation unit for estimating the three-dimensional shape of the elastic body.
The coordinate calculation unit regards the elastic body as a discretized model composed of an assembly of a pseudo rigid body having a predetermined length and a joint having a spring constant, and information on the spring constant and force obtained from the six-axis sensor. Based on the torque information, the bending shape in which the elastic body makes a static balance with respect to the external force is estimated and calculated.

本発明により、6軸センサ1個で、6軸センサに取り付けられた可撓性弾性体の形状を迅速に推定できる、三次元形状推定装置及び可撓性弾性体の三次元形状推定方法を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
The present invention provides a three-dimensional shape estimation device and a flexible elastic body three-dimensional shape estimation method that can quickly estimate the shape of a flexible elastic body attached to a six-axis sensor with a single six-axis sensor. can do.
Problems, configurations, and effects other than those described above will be clarified by the following description of embodiments.

本発明の実施形態の例である、弾性体形状推定システムの全体構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the whole structure of the elastic body shape estimation system which is an example of embodiment of this invention. 情報処理装置のハードウェア構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the hardware constitutions of information processing apparatus. 情報処理装置のソフトウェア機能を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the software function of information processing apparatus. 座標演算部における演算処理の概念図である。It is a conceptual diagram of the arithmetic processing in a coordinate calculating part. 情報処理装置における演算処理を説明するフローチャートである。It is a flowchart explaining the arithmetic processing in an information processing apparatus.

[全体構成]
図1は、本発明の実施形態の例である、弾性体形状推定システム101の全体構成を示す概略図である。
弾性体形状推定システム101は、6軸センサ102と、パソコン等の情報処理装置105よりなる。
6軸センサ102には、弾性体形状推定システム101による推定の対象となる、帯状弾性体103の一端が取り付けられている。
帯状弾性体103は、例えば周知のポリエチレンテレフタレート(PET樹脂)やポリイミド等の合成樹脂の他、鋼板等の金属でもよいが、全て可撓性を有する材料にて形成される弾性体であり、全体が均一な厚みと幅にて形成されている。したがって、帯状弾性体103はその全長にわたってほぼ等しいバネ定数を有する。
[overall structure]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of an elastic body shape estimation system 101 as an example of an embodiment of the present invention.
The elastic body shape estimation system 101 includes a six-axis sensor 102 and an information processing apparatus 105 such as a personal computer.
The six-axis sensor 102 is attached with one end of a belt-like elastic body 103 that is an object to be estimated by the elastic body shape estimation system 101.
The belt-like elastic body 103 may be, for example, a well-known synthetic resin such as polyethylene terephthalate (PET resin) or polyimide, or a metal such as a steel plate, but is an elastic body that is formed of a flexible material. Are formed with a uniform thickness and width. Therefore, the belt-like elastic body 103 has substantially the same spring constant over its entire length.

6軸センサ102は、x軸、y軸、z軸の各軸方向の力と、x軸、y軸、z軸の各軸を中心とするトルクを出力するセンサである。6軸センサ102が出力するアナログ信号は、A/D変換器207を内蔵するインターフェースユニット104を通じて、情報処理装置105に接続される。インターフェースユニット104と情報処理装置105との間を接続するインターフェースは特に限定されない。一般的なパソコンである情報処理装置105が装備するPCIバスに装着される形態や、USB、LANケーブル等、種々のインターフェースが利用可能である。
情報処理装置105は、予め入力された種々の初期値と、6軸センサ102の信号を受けて演算処理を行い、6軸センサ102に取り付けられた帯状弾性体103の形状を模倣する画像を表示部106に表示する。
なお、本実施形態の弾性体形状推定システム101は、バネ定数の設定が容易な帯状弾性体103を用いたが、必ずしも弾性体が帯状である必要はない。
The 6-axis sensor 102 is a sensor that outputs a force in each of the x-axis, y-axis, and z-axis directions and a torque centered on each of the x-axis, y-axis, and z-axis. An analog signal output from the 6-axis sensor 102 is connected to the information processing apparatus 105 through the interface unit 104 including the A / D converter 207. The interface that connects between the interface unit 104 and the information processing apparatus 105 is not particularly limited. Various types of interfaces such as a form mounted on a PCI bus provided in the information processing apparatus 105, which is a general personal computer, and USB and LAN cables can be used.
The information processing apparatus 105 receives various initial values input in advance and signals from the 6-axis sensor 102 and performs arithmetic processing to display an image imitating the shape of the elastic band 103 attached to the 6-axis sensor 102. Displayed on the unit 106.
Note that the elastic body shape estimation system 101 of the present embodiment uses the belt-like elastic body 103 in which the spring constant can be easily set, but the elastic body does not necessarily have a belt-like shape.

図2は、情報処理装置105のハードウェア構成を示すブロック図である。
一般的なパソコンよりなる情報処理装置105は、CPU201、ROM202、RAM203、不揮発性ストレージ204、表示部106、そして操作部205が、バス206に接続されている。この他、6軸センサ102が出力するアナログ信号をデジタルデータに変換する、インターフェースユニット104に内蔵されるA/D変換器207も、バス206に接続される。
FIG. 2 is a block diagram illustrating a hardware configuration of the information processing apparatus 105.
In an information processing apparatus 105 composed of a general personal computer, a CPU 201, a ROM 202, a RAM 203, a nonvolatile storage 204, a display unit 106, and an operation unit 205 are connected to a bus 206. In addition, an A / D converter 207 built in the interface unit 104 that converts an analog signal output from the 6-axis sensor 102 into digital data is also connected to the bus 206.

図3は、情報処理装置105のソフトウェア機能を示すブロック図である。
A/D変換器207を通じて入力される6軸センサ102のデータは、入出力制御部301の一機能である座標演算部302に入力される。
座標演算部302は、操作部205から入力される初期値と共に、後述する演算処理を行い、6軸センサ102に取り付けられている帯状弾性体103の形状を推定する。推定結果は、三次元空間内における複数の点の座標情報として出力される。座標演算部302が出力する複数の点の座標情報は、入出力制御部301の一機能である画像描画処理部303に入力される。
画像描画処理部303は、複数の点の座標情報を基に、三次元空間における帯状弾性体103のシミュレーション画像を作成する。そして、画像描画処理部303が作成したシミュレーション画像は、表示部106に表示される。
FIG. 3 is a block diagram illustrating software functions of the information processing apparatus 105.
Data of the six-axis sensor 102 input through the A / D converter 207 is input to the coordinate calculation unit 302 that is a function of the input / output control unit 301.
The coordinate calculation unit 302 performs calculation processing to be described later together with the initial value input from the operation unit 205, and estimates the shape of the belt-like elastic body 103 attached to the six-axis sensor 102. The estimation result is output as coordinate information of a plurality of points in the three-dimensional space. The coordinate information of a plurality of points output by the coordinate calculation unit 302 is input to an image drawing processing unit 303 that is a function of the input / output control unit 301.
The image drawing processing unit 303 creates a simulation image of the belt-like elastic body 103 in the three-dimensional space based on the coordinate information of a plurality of points. The simulation image created by the image drawing processing unit 303 is displayed on the display unit 106.

[原理]
図4は、座標演算部302における演算処理の概念図である。
本実施形態の弾性体形状推定システム101は、基本的に全長にわたって均等なバネ定数を有する弾性体を推定演算の対象としている。この弾性体は連続体であるが、この連続体を離散化することで、計算機による演算が可能になる。つまり、弾性体はその離散化モデルとして、疑似的にある長さの疑似剛体401と、疑似剛体401同士を繋ぐ関節402と、疑似剛体401同士を三次元方向にわたって繋ぐ、所定のバネ定数を有するバネ403よりなるバネ関節404の集合体と見做すことができる。疑似剛体401の一本一本はベクトルであり、ベクトルの回転を繋ぎ合わせた構成であると考えると、帯状弾性体103の形状を推定演算することができる。
[principle]
FIG. 4 is a conceptual diagram of calculation processing in the coordinate calculation unit 302.
The elastic body shape estimation system 101 according to the present embodiment basically uses an elastic body having a uniform spring constant over the entire length as a target of estimation calculation. Although this elastic body is a continuum, the calculation by a computer becomes possible by discretizing the continuum. In other words, the elastic body has a predetermined spring constant as a discretized model of the pseudo rigid body 401 of a certain length, the joint 402 that connects the pseudo rigid bodies 401, and the pseudo rigid bodies 401 that are connected in three dimensions. It can be regarded as an assembly of spring joints 404 formed of springs 403. If each pseudo rigid body 401 is a vector and is considered to have a configuration in which the rotations of the vectors are connected, the shape of the belt-like elastic body 103 can be estimated and calculated.

帯状弾性体103の全長をL、帯状弾性体103をバネ関節404で疑似的に分割する分割数をnとする。各疑似剛体の長さをl=L/nとする。各関節402は一般的に3自由度を有し,それぞれの角度をθT,I、θN,i、θB,I∈Cとする。インデックスであるiは1から始まり、nまでである。 The total length of the belt-like elastic body 103 is L, and the number of divisions in which the belt-like elastic body 103 is pseudo-divided by the spring joint 404 is n. Let the length of each pseudo-rigid body be l = L / n. Each joint 402 generally has three degrees of freedom, and the respective angles are θ T, I , θ N, i , θ B, I ∈C. The index i starts from 1 and goes to n.

先ず、本実施形態における推定演算の準備として、回転作用素R(a,θ)の計算式を以下に記す。   First, as a preparation for the estimation calculation in the present embodiment, the calculation formula of the rotation operator R (a, θ) is described below.

Figure 0006558727
Figure 0006558727

次に、本実施形態における推定演算に使用する定数を以下に記す。   Next, constants used for the estimation calculation in the present embodiment will be described below.

Figure 0006558727
Figure 0006558727

次に、本実施形態における推定演算に使用する設定値を以下に記す。   Next, set values used for the estimation calculation in the present embodiment are described below.

Figure 0006558727
Figure 0006558727

ただし、基準座標系は6軸センサ座標系と向きが一致しており、原点も6軸センサ102の原点に一致しているとする。   However, it is assumed that the reference coordinate system has the same orientation as the 6-axis sensor coordinate system, and the origin also coincides with the origin of the 6-axis sensor 102.

Figure 0006558727
Figure 0006558727

次に、本実施形態における推定演算において、6軸センサから得る値を以下に記す。   Next, values obtained from the 6-axis sensor in the estimation calculation in the present embodiment will be described below.

Figure 0006558727
Figure 0006558727

本実施形態における推定演算は、漸化計算である。繰り返し演算処理の指標(漸化計算のインデックス)となるiの初期値は1である。   The estimation calculation in this embodiment is a recurrence calculation. The initial value of i, which is an index for iterative calculation processing (index for recurrence calculation), is 1.

Figure 0006558727
Figure 0006558727

漸化計算は、以下に記す式(14)から式(24)までを繰り返す。   The recurrence calculation repeats the following equations (14) to (24).

Figure 0006558727
Figure 0006558727

最終的に、式(24)で得られる疑似関節の位置pと疑似剛体401の姿勢Fを求めることで、帯状弾性体103の形状を推定することができる。つまり、コンピュータグラフィクスで三次元空間内にp,p,p…pをプロットし,F,F,F…Fに対応するフレームを描画することで、帯状弾性体103の形状を描画できる。 Finally, the shape of the belt-like elastic body 103 can be estimated by obtaining the position p i of the pseudo joint and the posture F i of the pseudo rigid body 401 obtained by Expression (24). That is, by drawing a frame p 0, p 1, p 2 ... plot of p n, corresponding to F 0, F 1, F 2 ... F n in three-dimensional space by computer graphics, the strip elastic member 103 Can be drawn.

[動作]
図5は、情報処理装置105における演算処理を説明するフローチャートである。
処理を開始すると(S501)、入出力制御部301は、操作部205から入力された、演算に必要な初期値であるバネ定数、p、F、そして疑似関節の長さlを座標演算部302に設定する(S502)。次に、座標演算部302はA/D変換器207からf、mを取得する(S503)。以上、ステップS502及びS503が、初期値設定ステップとなる。そして、漸化計算のインデックスともいえるカウンタ変数iを1に初期化する(S504)。ステップS504はインデックス初期化ステップともいえる。
[Operation]
FIG. 5 is a flowchart for explaining arithmetic processing in the information processing apparatus 105.
When the process is started (S501), the input / output control unit 301 performs a coordinate operation on the spring constants p 0 and F 0 that are input from the operation unit 205, which are initial values necessary for the calculation, and the pseudo joint length l. Set in the unit 302 (S502). Next, the coordinate calculation unit 302 acquires f s and m s from the A / D converter 207 (S503). As described above, steps S502 and S503 are initial value setting steps. Then, a counter variable i, which can be an index of recurrence calculation, is initialized to 1 (S504). Step S504 can be said to be an index initialization step.

Figure 0006558727
Figure 0006558727

なお、ステップS505にて実行する式(14)は、関節に加わるトルクを算出する局所トルク算出ステップといえる。
同様に、ステップS506にて実行する式(15)は、関節の第1軸の向きを算出する第1軸方向算出ステップといえる。
同様に、ステップS507にて実行する式(16)は、関節の第1軸の角度を算出する第1軸角度算出ステップといえる。
同様に、ステップS508にて実行する式(17)は、関節の第1軸の回転の影響を受ける第1サブフレーム姿勢算出ステップといえる。
同様に、ステップS509にて実行する式(18)は、関節の第2軸の向きを算出する第2軸方向算出ステップといえる。
同様に、ステップS510にて実行する式(19)は、関節の第2軸の角度を算出する第2軸角度算出ステップといえる。
同様に、ステップS511にて実行する式(20)は、関節の第2軸の回転の影響を受ける第2サブフレーム姿勢算出ステップといえる。
同様に、ステップS512にて実行する式(21)は、関節の第3軸の向きを算出する第3軸方向算出ステップといえる。
同様に、ステップS513にて実行する式(22)は、関節の第3軸の角度を算出する第3軸角度算出ステップといえる。
同様に、ステップS514にて実行する式(23)は、関節の第3軸の回転の影響を受ける手先側の疑似剛体姿勢を算出する疑似剛体姿勢算出ステップといえる。
同様に、ステップS515にて実行する式(24)は、手先側疑似剛体の長さと姿勢から関節の次の手先側関節位置を算出する関節位置算出ステップといえる。
In addition, it can be said that Formula (14) performed in step S505 is a local torque calculation step which calculates the torque added to a joint.
Similarly, equation (15) executed in step S506 can be said to be a first axis direction calculating step for calculating the direction of the first axis of the joint.
Similarly, equation (16) executed in step S507 can be said to be a first axis angle calculation step for calculating the angle of the first axis of the joint.
Similarly, equation (17) executed in step S508 can be said to be a first subframe posture calculation step that is affected by the rotation of the first axis of the joint.
Similarly, equation (18) executed in step S509 can be said to be a second axis direction calculating step for calculating the direction of the second axis of the joint.
Similarly, equation (19) executed in step S510 can be said to be a second axis angle calculating step for calculating the angle of the second axis of the joint.
Similarly, equation (20) executed in step S511 can be said to be a second subframe posture calculation step that is affected by the rotation of the second axis of the joint.
Similarly, equation (21) executed in step S512 can be said to be a third axis direction calculating step for calculating the direction of the third axis of the joint.
Similarly, equation (22) executed in step S513 can be said to be a third axis angle calculating step for calculating the angle of the third axis of the joint.
Similarly, equation (23) executed in step S514 can be said to be a pseudo rigid body posture calculating step for calculating a hand side pseudo rigid body posture that is affected by the rotation of the third axis of the joint.
Similarly, equation (24) executed in step S515 can be said to be a joint position calculation step of calculating the next hand side joint position of the joint from the length and posture of the hand side pseudo rigid body.

次に、入出力制御部301はカウンタ変数iを1インクリメントして(S516)、iが分割数nを超えているか否かを確認する(S517)。iが分割数nを超えていない場合には(S517のNO)、入出力制御部301は再度ステップS505から演算処理を繰り返す。
ステップS517において、iが分割数nを超えている場合は(S517のYES)、帯状弾性体103の描画に必要なpiが全て揃ったので、画像描画処理部303は、lとpiに基づいて、帯状弾性体103を表示部106に表示する(S518)。
次に、入出力制御部301は、操作部205等から処理の終了が指示されているか否かを確認する(S519)。処理の終了が指示されていなければ(S519のNO)、入出力制御部301は再度ステップS503から処理を繰り返す。すなわち、再びA/D変換器207からf、mを取得して、計算処理(S505〜S515)と描画処理(S518)を繰り返す。
ステップS519で処理の終了が指示されていれば(S519のYES)、入出力制御部301は一連の処理を終了する(S511)。
Next, the input / output control unit 301 increments the counter variable i by 1 (S516), and checks whether i exceeds the division number n (S517). If i does not exceed the division number n (NO in S517), the input / output control unit 301 repeats the arithmetic processing from step S505 again.
In step S517, if i exceeds the division number n (YES in S517), all the pi necessary for drawing the belt-like elastic body 103 have been prepared, so the image drawing processing unit 303 determines based on l and pi. Then, the elastic band 103 is displayed on the display unit 106 (S518).
Next, the input / output control unit 301 confirms whether or not the end of the process is instructed from the operation unit 205 or the like (S519). If the end of the process is not instructed (NO in S519), the input / output control unit 301 repeats the process from step S503 again. That is, f s and m s are acquired again from the A / D converter 207, and the calculation process (S505 to S515) and the drawing process (S518) are repeated.
If the end of the process is instructed in step S519 (YES in S519), the input / output control unit 301 ends the series of processes (S511).

なお、ステップS518の処理は、ステップS515の後、かつS517の前でもよい。その場合、表示部106には、6軸センサ102から疑似剛体401が1個ずつ伸びていく画像が表示される。
以上より、離散バネ定数、6軸センサ102上に設置される弾性体の設置位置及び姿勢を既知の値として、6軸センサ102で取得できる力とトルクの情報から、式(14)〜(24)を演算することで、弾性体の形状及び弾性体先端の位置pnと姿勢Fnを出力することができる。
Note that the process of step S518 may be performed after step S515 and before step S517. In that case, an image of the pseudo rigid body 401 extending from the 6-axis sensor 102 one by one is displayed on the display unit 106.
As described above, from the information on the force and torque that can be acquired by the 6-axis sensor 102 with the discrete spring constant and the installation position and orientation of the elastic body installed on the 6-axis sensor 102 as known values, the equations (14) to (24 ) by calculating a can output the position p n and orientation F n of the shape and the elastic body leading end of the elastic body.

本実施形態は、以下の様な応用が可能である。
(1)上述の実施形態では、弾性体の離散バネ定数が全長にわたって一様であることを前提に演算していたが、バネ定数が一様でない弾性体であっても、離散化する際にバネ定数が導出できるのであれば、座標演算部302による演算処理が可能である。例えば根元がテーパ状に形成されている弾性体等、バネ定数の変化が弾性体長さの関数で表現できる形態のものは、原理的に演算処理が可能である。
This embodiment can be applied as follows.
(1) In the above-described embodiment, the calculation is performed on the assumption that the discrete spring constant of the elastic body is uniform over the entire length. However, even when the elastic body has a non-uniform spring constant, If the spring constant can be derived, calculation processing by the coordinate calculation unit 302 is possible. For example, an elastic body whose base is formed in a taper shape and the like in which the change in the spring constant can be expressed by a function of the elastic body length can be processed in principle.

(2)図1から図3までに示した三次元形状推定システムは、実在する弾性体の形状を推定するシステムであったが、実在しない弾性体の形状を推定することも当然に可能である。すなわち、弾性体の形状をシミュレートし、また弾性体に加わる力を推定することも可能である。   (2) Although the three-dimensional shape estimation system shown in FIGS. 1 to 3 is a system for estimating the shape of an existing elastic body, it is naturally possible to estimate the shape of an elastic body that does not exist. . That is, it is possible to simulate the shape of the elastic body and to estimate the force applied to the elastic body.

本実施形態においては、弾性体形状推定システム101を開示した。
6軸センサ102上に設置される弾性体の先端に力を加えると、離散バネ定数、6軸センサ102上に設置される弾性体の設置位置及び姿勢を既知の値として、6軸センサ102で取得できる、弾性体の設置位置にかかる力とトルクの情報から、式(14)〜(24)を演算することで、弾性体の形状及び弾性体先端の位置と姿勢を出力することができる。
演算処理は非常に短時間で完遂するため、弾性体に加わる力が変化する度、リアルタイムで推定演算の結果である画像が変化する。
In this embodiment, the elastic body shape estimation system 101 was disclosed.
When a force is applied to the tip of the elastic body installed on the 6-axis sensor 102, the discrete spring constant and the installation position and orientation of the elastic body installed on the 6-axis sensor 102 are set to known values. By calculating the equations (14) to (24) from the information on the force and torque applied to the installation position of the elastic body that can be obtained, the shape of the elastic body and the position and posture of the elastic body tip can be output.
Since the calculation process is completed in a very short time, every time the force applied to the elastic body changes, the image that is the result of the estimation calculation changes in real time.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、上記した実施形態は本発明をわかりやすく説明するために装置及びシステムの構成を詳細かつ具体的に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることは可能であり、更にはある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。
また、上記の各構成、機能、処理部等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計するなどによりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、SSD(Solid State Drive)等の揮発性あるいは不揮発性のストレージ、または、ICカード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
The embodiments of the present invention have been described above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and other modifications and application examples are provided without departing from the gist of the present invention described in the claims. including.
For example, the above-described embodiment is a detailed and specific description of the configuration of the apparatus and the system in order to explain the present invention in an easy-to-understand manner, and is not necessarily limited to one having all the configurations described. Further, a part of the configuration of one embodiment can be replaced with the configuration of another embodiment, and the configuration of another embodiment can be added to the configuration of one embodiment. Moreover, it is also possible to add, delete, and replace other configurations for a part of the configuration of each embodiment.
Each of the above-described configurations, functions, processing units, and the like may be realized by hardware by designing a part or all of them with, for example, an integrated circuit. Further, each of the above-described configurations, functions, and the like may be realized by software for interpreting and executing a program that realizes each function by the processor. Information such as programs, tables, and files that realize each function must be held in a volatile or non-volatile storage such as a memory, hard disk, or SSD (Solid State Drive), or a recording medium such as an IC card or an optical disk. Can do.
In addition, the control lines and information lines are those that are considered necessary for the explanation, and not all the control lines and information lines on the product are necessarily shown. Actually, it may be considered that almost all the components are connected to each other.

101…弾性体形状推定システム、102…6軸センサ、103…帯状弾性体、104…インターフェースユニット、105…情報処理装置、106…表示部、201…CPU、202…ROM、203…RAM、204…不揮発性ストレージ、205…操作部、206…バス、207…A/D変換器、301…入出力制御部、302…座標演算部、303…画像描画処理部、401…疑似剛体、402…関節、403…バネ、404…バネ関節   DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Elastic body shape estimation system, 102 ... 6 axis | shaft sensor, 103 ... Strip | belt-shaped elastic body, 104 ... Interface unit, 105 ... Information processing apparatus, 106 ... Display part, 201 ... CPU, 202 ... ROM, 203 ... RAM, 204 ... Non-volatile storage, 205 ... operation unit, 206 ... bus, 207 ... A / D converter, 301 ... input / output control unit, 302 ... coordinate calculation unit, 303 ... image drawing processing unit, 401 ... pseudo rigid body, 402 ... joint, 403 ... Spring, 404 ... Spring joint

Claims (5)

三次元方向の力とトルクを検出する6軸センサと、A 6-axis sensor that detects force and torque in a three-dimensional direction;
前記6軸センサに取り付けられ、先端に加わる外力によって変形する弾性体と、An elastic body attached to the six-axis sensor and deformed by an external force applied to the tip;
前記弾性体の三次元形状を推定する座標演算部とA coordinate calculation unit for estimating a three-dimensional shape of the elastic body;
を具備し、Comprising
前記座標演算部は、前記弾性体を、所定の長さを有する疑似剛体とバネ定数を有する関節の集合体よりなる離散化モデルとして見做し、前記バネ定数と、前記6軸センサから得られる前記力の情報と前記トルクの情報に基づいて、前記弾性体が前記外力に対して静的つり合いをなす屈曲形状を推定演算する、The coordinate calculation unit regards the elastic body as a discretized model composed of an assembly of a pseudo rigid body having a predetermined length and a joint having a spring constant, and is obtained from the spring constant and the six-axis sensor. Based on the information on the force and the information on the torque, the elastic body estimates and calculates a bent shape that makes a static balance with the external force.
三次元形状推定装置。3D shape estimation device.
前記座標演算部は、前記弾性体を、所定の長さを有する疑似剛体とバネ定数を有する関節の集合体よりなる、The coordinate calculation unit is composed of a collection of joints having a pseudo-rigid body having a predetermined length and a spring constant.
ττ i =m= M s −p-P i−1i-1 ×f× f s
を満たす離散化モデルとして見做し、前記弾性体が前記外力に対して静的つり合いをなす屈曲形状を推定演算する、請求項1に記載の三次元形状推定装置。The three-dimensional shape estimation apparatus according to claim 1, wherein the elastic body is estimated as a discretized model that satisfies the above-described condition, and a bending shape in which the elastic body is statically balanced with respect to the external force is estimated and calculated.
但し、iは自然数であり、τWhere i is a natural number and τ i はi番目の前記関節である第i関節にかかる局所的なトルクであり、mIs a local torque applied to the i-th joint which is the i-th joint, m s は前記6軸センサより読み取ったトルクベクトルであり、pIs a torque vector read from the 6-axis sensor, and p i−1i-1 は前記第i関節の位置ベクトルであり、fIs the position vector of the i-th joint, f s は前記6軸センサから読み取った力ベクトルである。Is a force vector read from the 6-axis sensor.
更に、Furthermore,
前記座標演算部の演算結果に基づき、前記弾性体の推定形状を描画する画像描画処理部とAn image drawing processing unit for drawing an estimated shape of the elastic body based on a calculation result of the coordinate calculation unit;
を具備する、請求項2に記載の三次元形状推定装置。The three-dimensional shape estimation apparatus according to claim 2, comprising:
前記座標演算部は、The coordinate calculation unit is
演算処理の初期値として、前記6軸センサに前記弾性体が据え付けられている三次元方向の位置・姿勢と、前記バネ定数と、前記疑似剛体の長さを設定し、As an initial value of the arithmetic processing, set the position and orientation in the three-dimensional direction where the elastic body is installed on the 6-axis sensor, the spring constant, and the length of the pseudo rigid body,
前記6軸センサから得られる前記力の情報と前記トルクの情報を取得し、Obtaining information on the force and torque obtained from the six-axis sensor;
漸化計算のインデックスを初期値に設定し、前記関節に加わるトルクを算出し、Set the recurrence calculation index to the initial value, calculate the torque applied to the joint,
前記関節の第1軸の向き、前記関節の第1軸の角度、前記関節の第1軸の回転の影響を受ける第1サブフレーム姿勢を算出し、Calculating the orientation of the first axis of the joint, the angle of the first axis of the joint, and the first subframe posture affected by the rotation of the first axis of the joint;
前記関節の第2軸の向き、前記関節の第2軸の角度、前記関節の第2軸の回転の影響を受ける第2サブフレーム姿勢を算出し、Calculating a second sub-frame posture affected by the orientation of the second axis of the joint, the angle of the second axis of the joint, and the rotation of the second axis of the joint;
前記関節の第3軸の向き、前記関節の第3軸の角度、前記関節の第3軸の回転の影響を受ける手先側の疑似剛体姿勢を算出し、Calculating the orientation of the third axis of the joint, the angle of the third axis of the joint, and the pseudo-rigid posture on the hand side affected by the rotation of the third axis of the joint;
前記手先側の疑似剛体の長さと前記姿勢から前記関節の次の手先側関節位置を算出する、Calculate the next hand side joint position of the joint from the length of the pseudo-rigid body on the hand side and the posture;
請求項3に記載の三次元形状推定装置。The three-dimensional shape estimation apparatus according to claim 3.
三次元方向の力とトルクを検出する6軸センサに取り付けられる弾性体を、所定の長さを有する疑似剛体とバネ定数を有する関節の集合体よりなる離散化モデルとして見做し、前記バネ定数と、前記6軸センサから得られる前記力の情報と前記トルクの情報に基づいて、前記弾性体の屈曲形状を推定演算する、可撓性弾性体の三次元形状推定方法であり、
前記三次元形状推定方法は、
演算処理の初期値として、前記6軸センサに前記弾性体が据え付けられている三次元方向の位置・姿勢と、前記バネ定数と、前記疑似剛体の長さを設定する初期値設定ステップと、
前記6軸センサから得られる前記力の情報と前記トルクの情報を取得するセンシングステップと、
漸化計算のインデックスを初期値に設定するインデックス初期化ステップと、
前記関節に加わるトルクを算出する局所トルク算出ステップと、
前記関節の第1軸の向きを算出する第1軸方向算出ステップと、
前記関節の第1軸の角度を算出する第1軸角度算出ステップと、
前記関節の第1軸の回転の影響を受ける第1サブフレーム姿勢算出ステップと、
前記関節の第2軸の向きを算出する第2軸方向算出ステップと、
前記関節の第2軸の角度を算出する第2軸角度算出ステップと、
前記関節の第2軸の回転の影響を受ける第2サブフレーム姿勢算出ステップと、
前記関節の第3軸の向きを算出する第3軸方向算出ステップと、
前記関節の第3軸の角度を算出する第3軸角度算出ステップと、
前記関節の第3軸の回転の影響を受ける手先側の疑似剛体姿勢を算出する疑似剛体姿勢算出ステップと、
前記手先側の疑似剛体の長さと前記姿勢から前記関節の次の手先側関節位置を算出する関節位置算出ステップと
を含む、可撓性弾性体の三次元形状推定方法。
An elastic body attached to a six-axis sensor that detects a force and torque in a three-dimensional direction is regarded as a discretized model composed of a pseudo rigid body having a predetermined length and an assembly of joints having a spring constant, and the spring constant And a three-dimensional shape estimation method for a flexible elastic body that estimates and calculates a bent shape of the elastic body based on the information on the force and the information on the torque obtained from the six-axis sensor ,
The three-dimensional shape estimation method includes:
As an initial value of the arithmetic processing, an initial value setting step for setting a position / attitude in the three-dimensional direction where the elastic body is installed on the six-axis sensor, the spring constant, and the length of the pseudo rigid body;
A sensing step for obtaining the force information and the torque information obtained from the six-axis sensor;
An index initialization step for setting the recursion calculation index to an initial value;
A local torque calculating step for calculating a torque applied to the joint;
A first axis direction calculating step of calculating a direction of the first axis of the joint;
A first axis angle calculating step of calculating an angle of the first axis of the joint;
A first subframe posture calculating step that is affected by the rotation of the first axis of the joint;
A second axis direction calculating step for calculating the direction of the second axis of the joint;
A second axis angle calculating step for calculating an angle of the second axis of the joint;
A second sub-frame posture calculation step affected by the rotation of the second axis of the joint;
A third axis direction calculating step for calculating the direction of the third axis of the joint;
A third axis angle calculating step for calculating an angle of the third axis of the joint;
A pseudo rigid body posture calculating step for calculating a pseudo rigid body posture on the hand side affected by the rotation of the third axis of the joint;
A joint position calculating step of calculating a next hand side joint position of the joint from the length of the pseudo-rigid body on the hand side and the posture;
A method for estimating a three-dimensional shape of a flexible elastic body.
JP2015099505A 2015-05-14 2015-05-14 3D shape estimation device and 3D shape estimation method of flexible elastic body Active JP6558727B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015099505A JP6558727B2 (en) 2015-05-14 2015-05-14 3D shape estimation device and 3D shape estimation method of flexible elastic body

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015099505A JP6558727B2 (en) 2015-05-14 2015-05-14 3D shape estimation device and 3D shape estimation method of flexible elastic body

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2016217748A JP2016217748A (en) 2016-12-22
JP6558727B2 true JP6558727B2 (en) 2019-08-14

Family

ID=57578817

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2015099505A Active JP6558727B2 (en) 2015-05-14 2015-05-14 3D shape estimation device and 3D shape estimation method of flexible elastic body

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6558727B2 (en)

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2001349725A (en) * 2000-06-08 2001-12-21 Olympus Optical Co Ltd Shape measuring apparatus
JP2002352176A (en) * 2001-05-25 2002-12-06 Fuji Electric Co Ltd Method for analyzing movement of sheet-like flexible matter
JP5248537B2 (en) * 2009-05-21 2013-07-31 エムアールシーコンポジットプロダクツ株式会社 Golf shaft design apparatus and golf shaft design program
US9289899B2 (en) * 2010-07-08 2016-03-22 Vanderbilt University Continuum robots and control thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2016217748A (en) 2016-12-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Dong et al. A novel continuum robot using twin-pivot compliant joints: design, modeling, and validation
Fan et al. Three-dimensional discontinuous deformation analysis based on strain-rotation decomposition
Petit et al. Using physical modeling and RGB-D registration for contact force sensing on deformable objects
Zhu et al. Extended Kalman filter for online soft tissue characterization based on Hunt-Crossley contact model
Ren et al. An accurate and robust geometrically exact curved beam formulation for multibody dynamic analysis
Borja et al. Discrete micromechanics of elastoplastic crystals in the finite deformation range
Roy et al. Flex sensor based wearable gloves for robotic gripper control
CN111240468B (en) Calibration method and device for hand motion capture, electronic equipment and storage medium
KR102543354B1 (en) Methods and systems for conducting a time-marching numerical simulation of a structure expected to experience metal necking failure
JP6558727B2 (en) 3D shape estimation device and 3D shape estimation method of flexible elastic body
CN112847345B (en) Method and device for determining robot dragging teaching mode
Yang et al. Investigation of radial basis collocation method for incremental-iterative analysis
Scaglioni et al. Closed-form control oriented model of highly flexible manipulators
CN110328660B (en) Touch detection method, device, equipment and robot
CN114502338A (en) Techniques for generating controllers for robots
JP4743699B2 (en) POSITION CONTROL DEVICE, POSITION CONTROL METHOD, AND POSITION CONTROL PROGRAM
Yun et al. Accurate, robust, and real-time pose estimation of finger
US20220198682A1 (en) Method and apparatus for tracking hand joints
JP5223489B2 (en) Method for calculating deformation shape of flexible object
US20170004237A1 (en) Simulation method and simulation apparatus
US20160063152A1 (en) Method and apparatus for modeling deformable body including particles
Chen et al. An efficient formulation based on the Lagrangian method for contact–impact analysis of flexible multi-body system
JP7109075B2 (en) Arithmetic device and program
Barjuei et al. Control design for 3D flexible link mechanisms using linearized models
WO2017026045A1 (en) Hand-force measurement device, hand-force measurement method, and hand-force measurement program

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20180511

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20190402

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20190515

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20190625

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20190708

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6558727

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250