JPH02274484A - 宇宙用ロボットの運動模擬実験装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 目　　　　次 概　　　要 産業上の利用分野 従来の技術 発明が解決しようとする課題 課題を解決するための手段 作　　　用 実施例 発明の効果 概　　　要 宇宙用ロボットの運動模擬実験装置に関し、無重力空間
における宇宙ロボットの運動を地上において３次元的に
模擬実験できるようにすることを目的とし、 無重力空間における宇宙用ロボットの運動を地上におい
て３次元的に模擬実験する装置であって、少なくとも６
自由度を有する地上用ロボットと、該地上用ロボットの
先端に取り付けられた本体とアームを有する宇宙用ロボ
ットと、全運動量保存則及び全角運動量保存則に基づい
て、宇宙用ロボット本体の重心位置及び姿勢角を求める
微分方程式を導出する手段と、該微分方程式を使用して
宇宙用ロボット本体の重心位置及び姿勢角を計算する演
算手段と、宇宙用ロボットのアームを動作させる第１駆
動手段と、前記演算手段により計算した宇宙用ロボット
本体の重心位置及び姿勢角を実現するように、宇宙用ロ
ボットの動作に連動して地上用ロボットを動作させる第
一２駆動手段とを具備して構成する。

産業上の利用分野 本発明は宇宙用ロボットの運動模擬実験装置に関する。

宇宙空間という真空・無重力の空間においては、いまま
で行われてきたような人間による船外活動に代わり、将
来は衛星の回収、点検、燃料補給、宇宙構造物の組立等
の複雑な作業を全てロボットに行わせることが考えられ
ている。無重力空間においては地上と異なり、ロボット
のアームを動作させると、その反作用によりロボット本
体が動いてしまうことになるため、宇宙ロボットのオペ
レータは無重力空間におけるロボットの操作に予め習熟
しておく必要がある。そこで、無重力空間における宇宙
ロボットの運動を地上において３次元的に模擬実験でき
るような装置が要望されている。

従来の技術 地上にふいて無重力空間を模擬する試みとして、従来法
の二通りの方法が知られている。第１の方法は、構造物
全体をエアシャワー等で浮上させ、動作範囲を２次元的
に限定したものであり、第２の方法は構造物の比重と等
しい液体の中に構造物全体を浸し、重力を浮力によりキ
ャンセルさせたものである。

発明が解決しようとする課題 しかし上述した第１の方法では、文字通り運動が２次元
平面に限定されるという問題があり、また第２の方法で
は、実際上構造物の比重にかなり厳しい制約が生じ、い
ずれもその適用範囲が限られている。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的とするところは、無重力空間における宇宙ロボッ
トの運動を地上において３次元的に模擬実験できるよう
にした宇宙用ロボットの運動模擬実験装置を提供するこ
とである。

課題を解決すもための手段 第１図に本発明の原理図を示す。

少なくとも６自由度を有する地上用ロボット１と、この
地上用ロボット１の先端に取り付けられた本体３とアー
ム４を有する宇宙用ロボット２を設ける。そして、全運
動量保存則及び全角運動量保存則に基づいて、宇宙用ロ
ボット本体３の重心位置及び姿勢角を求める微分方程式
を導出する手段５と、この微分方程式を使用して宇宙用
ロボット本体３の重心位置及び姿勢角を計算する演算手
段６を設け、第１駆動手段７により宇宙用ロボット２の
アーム４を動作させると同時に、演算手段６により計算
した宇宙用ロボット本体３の重心位置及び姿勢角を実現
するように、地上用ロボットｌを動作させる第２駆動手
段８を設けて構成する。

作　　　用 第２図は慣性座標系とロボット本体重心座標系との関係
を示す図であり、本発明の基本的アイデアを説明するた
めに、本体３にアーム４が装備された宇宙用ロボット２
を想定する。無重力空間において第２図に示すようなロ
ボットを動かすと、ロボットの本体３はアーム４の動き
にともなって反作用を受け、本体３の重心位置及び姿勢
角が変化していく。そこで先ず、ロボット本体３０重心
位置（３自由度）及び姿勢角（３自由度）の計６自由度
の時系列をオフライン又はオンラインで計算できるよう
にする。即ち、微分方程式導出手段５により、全運動量
保存則及び全角運動量保存則に基づいて、宇宙用ロボッ
ト本体３の重心位置及び姿勢角を求める微分方程式を導
出し、この微分方程式を使用して宇宙用ロボット本体３
の重心位置及び姿勢角の時系列をオフライン又はオンラ
インで計算する。次いで、この時系列データに基づき、
宇宙用ロボット本体３の重心位置及び姿勢角を、宇宙用
ロボット２のアーム４を動かすのに連動させて、地上用
ロボット１で変化させるようにする。

以下、第２図に示すような１腕型ロボツト２に基づいて
理論的定式化を行い、ロボット本体の重心位置及び姿勢
角についてその時系列の計算の仕方を説明する。

一第３図は第２図に示した座標系の関係をベクトル表示
を用いて数学的に表した図である。ここで、Σ、は慣性
系であり、全体系の記述はΣ、を基準にして行なわれる
。また、Σ、はロボット本体の重心に固定された座標系
である。第３図において、各座標系、位置ベクトル、各
関節の回転角は次のように定義される。

ΣＡ　：慣性座標系Ｏａ　　ＸＡＹＡ　ＺＡΣ、：ロボ
ット本体重心座標系Ｏｎ　　ＸｍＹｉ＋ｍ Ｇ　：全体系の重心 Ｒ１：各リンクの重心位置ベクトル Ｒ６：全体系の重心位置ベクトル Ｒ鳳：本体重心の位置ベクトル ｒｉ　：全体系の重心から各リンクの重心への位置ベク
トル ｒ、：全体系の重心から本体重心への位置ベクトル θ、：各関節の回転角 Ｒ冨：アーム手先の位置ベクトル １重　：全体系の重心からアーム手先の位置ベクトル なお、上述した各記号のうち座標系ΣＡ、ΣＢ及び各関
節の回転角θムを除いて、その他の記号はベクトル量で
あるがベクトル表示を省略しである。

第３図に示す通り、ロボットのアームは６自由度とし、
関節の回転自由度として と表現する。また、本体重心位置及び姿勢角は、と表記
する。Ｒ３は、慣性系Σ、から見た本体重心位置ベクト
ルであり、φ、は、座標系Σ、の座標系Σ、に対するオ
イラー角である。ここでφ。

及びφ、はベクトル量であるが、ベクトル表示を省略し
である。

本方式を定式化するにあたっては、今、考えている宇宙
ロボットは外から力やトルクが全く働いていない孤立系
であるとし、以下のような二つの基本物理法則を基礎に
置く。

（ｉ）全運動量保存則 全運動量保存則は、第３図に示した系全体に外力が働い
ていない場合には常に成り立つ物理法則である。ここで
、上述した各記号の定義に加えて以下の数式に使用する
各記号を次のように定義する。

Ｖ、°、ω、二本体型本体重心、角速度Ｗｉｎ　ω、：
各リンク重心の速度、角速度ｍ、、）、：本体の質量及
び本体重心周りの慣性テンソル ｍｔ＋　　Ｉｔ：各リンクの質量及び各リンク重心周り
の慣性テンソル ｍ、、ｉｌ：アーム手先の質量及びアーム手先重心周り
の慣性テンソル ここで、速度及び慣性テンソルはベクトル量であり、角
速度及び質量はスカラー量である。以下の数式において
、質量ｍ、Ｍ及び角速度ωを除いて他の記号は全てベク
トル量であるが、ベクトル表示を省略しである。

上述した記号を用いて、全運動量保存則は以下の式で表
される。

全運動量をＰとすると、 故に、 全質量Ｍ　ｉｌｌ　ｍ　ｍ　＋　Ｔ−ｍ　ｔ　＋　ｍｘ
　　　　　　・・・（５）と定義すると、（３）よりＲ
ｅは等速直線運動をすることがわかる。即ち、 Ｒａ　＝Ｖｓ　ｔ　＋Ｒ＠。

ここでは、Ｒａは慣性系Σ、に対し静止しているとして
議論を進める。即ち、Ｐ−０゜ （ｉｉ）全角運動保存則 全角運動量は、この系全体に外からＦルクが働いていな
い場合に常に成り立つ物理法則であり、今の場合、以下
のように表現される。

＝ｃｏｎｓｔ、　　　　　　　　　　　　　　　　　　
　−（６）ここで ｒ　ｍ　−Ｒｓ　　Ｒｃ　＋　　ｒ　ｔ　！１ｌＲｔ　
　Ｒａ　ｒ「、■ＲヨーＲｅ（ｉ＝ｏ〜６）　　・・・
（７）また、Ｉｎ、Ｉｌ、Ｉｔ　　Ｎ＝Ｏ〜６）・・・
（８）は、各々の慣性テンソルを表し、 ０ｍ、　　ａＪｔ　、　ｍｙ　　（ｉ＝０〜Ｂ）　　・
＝（９）は各々の角速度を表す。

ここでは、全体系の初期全角速度は零とする。

即ち、　Ｌ＝Ｏ・・・α１ （３）及び（６）に於いて、位置の時間微分及び角速度
ωを、この系の基本自由度（１〕、（２）の時間微分で
表現すると、結局のところ、（３）及び（６）は以下の
ような二組の基本方程式に帰着する。

（３］　　→　　Ｒｍ＝Ｆφｍ＋Ｇφ、　　・・・（社
）（６）　　−Ｋｌφｍ　＋Ｋｘφ、＝Ｏ−０２１ここ
で、Ｆ、Ｇ及びに、、に、は、各成分が基本自由度（１
）、（支））による関数で表された関数行列である。

Ｆ　　：３Ｘ３行列、　Ｇ　　：３Ｘ６行列、Ｋｌ：３
Ｘ３行列、　ＫＭ：３Ｘ６行列、αりを本体姿勢角の時
間微分−φ、について解くと、φ１　＝−に烏　−’Ｋ
ｍ　　φ。　　　　・・・０これにＱＢを代入すると、 Ｒｅ　　＝　　（Ｇ　　　ＦＫｍ　　−’に、ｔ　）　
　φ、・・・α荀結局、側、（へ）により本体重心位置
Ｒ１及び本体姿勢角φＢに関する次のような微分方程式
が得られる。

０式を基に、Ｒ−及びφ■の時系列は以下の二通りの方
法で得ることが出来る。

■　（へ）式をＲｕ　（ｔ）　、φ、（ｔ）に関する微
分方程式と解釈し、φｍ　（ｔ）　、　　φ、（ｔ）を
インプットとして、Ｒｍ　（ｔ）　、　　φ、（ｔ）を
時間（１）について積分する。

この場合は、前もってアームの動きに関して軌道計画を
行っておき、Ｒ１１（ｔ）、　φ８（ｔ）に関する時系
列データをオフラインで計算しておく。その後に、φ６
、Ｒ１，φＢに関するデータを第２図に示す装置に同時
に流し、ロボットの動きを模擬する。この方法のフロー
チャートを第４図に示す。

■　（ハ）式を と解釈し、時刻ｔに於けるΔφ真、φＩｌ＋Ｒ１＋φｌ
の値から時刻ｔ＋Δｔに於けるＲ１．φ、の値を計算し
、この処理を逐次繰り返していく。

この場合には、Ｒｌ　＊　　φ、に関する時系列をオン
ラインで得られるため、アームの動きに合わせ、リアル
タイムに本体重心位置、姿勢角を変更していくことがで
きる。この方法のフローチャートを第５図に示す。

実　　施　　例 以下本発明の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

第６図は本発明実施例のロボット部分概略構成図である
。１１は宇宙用ロボットの本体、１２は本体重心座標系
、１３は６自由度を有する宇宙用ロボットのアームであ
る。宇宙用ロボットの本体１１は地上系アーム１４によ
り支持されている。

１５は地上系アーム１４の台座に原点を持つ慣性座標系
である。本実施例においては、宇宙用ロボット本体１１
の重、心位置及び姿勢角に任意の値をとらせるため、地
上系アーム１４の先端（手先部分）に宇宙用ロボットの
本体１１を取り付けている。

宇宙用ロボット本体１１の重心位置及び姿勢の計６自由
度を実現するために、地上系アーム１４は最低６自由度
が必要であり、本実施例では６自由度の地上系アーム１
４として構成されている。

宇宙用ロボットのアーム１３はズ示しない駆動装置によ
り駆動され、地上系アーム１４も図示しない駆動装置に
より駆動される。宇宙用アーム駆動装置及び地上系アー
ム駆動装置は、図示しない計算機により制御される。こ
の計算機は本発明の微分方程式導出手段及び演算手段を
構成する。

以下第７図及び第８図に示すフローチャートに基づいて
、本発明実施例の動作を説明する。

第７図は第６図に示した宇宙用ロボット及び地上系アー
ムをオフラインで動作させる場合の実施例フローチャー
トである。先ず宇宙用アームの関節角φｓｗ（ｔ）の時
系列を計算機にインプットしくステップ１０１）、その
値に基づいて上述したａ！ｉ１式において本体重心位置
Ｒｇ（ｔ）及び姿勢角φ、（ｔ）を時間（１）について
積分し、宇宙用ロボット本体の重心位置Ｒｉ（ｔ）及び
姿勢角φ、（ｔ）を算出する（ステップ１０２）。次に
ステップ１０２で得られた時系列をインプットとして、
地上系アームの関節角φ□（１）の時系列を逆運勧学に
基づいて算出する（ステップ１０３）。出揃った時系列
φ□（ｔ）、φｓｍ（ｔ）　　（ステップ１０４．１０
５）に対してニュートン・オイラー法等を用いてトルク
計算をしくステップ１０６．１０７）、宇宙用ロボット
のアーム１３及び地上系アーム１４をそれぞれの駆動装
置により連動して動作させる（ステップ１０８，１０９
）。

このように本実施例においては、オフラインの計算機で
地上系アーム１４の関節角φ！ｘ（ｔ）の時系列を逆運
勧学に基づいて予め算出しておき、宇宙用アーム駆動装
置により宇宙用ロボットのアーム１３を予め定まった軌
跡で動かすと、その動きに連動してφｔ：Ｍ（ｔ）に基
づいて地上系アームが動き宇宙用ロボット本体１１は無
重力空間における動きと全く同じ動きを行うことになる
。

第８図は上述した第５図に基づいて逐次的に差分計算を
行い、オンラインでリアルタイムに移動量を算出する実
施例の処理の流れを示したものである。エンコーダの値
と順運動学から時刻ｔにおける関節角φ□及び本体重心
位置Ｒ３、姿勢角φ、の値を検出する（ステップ２０１
）。次に、検出したφ１、ＲＢ　、φ、の値と宇宙用ア
ームの関節角の移動量を差分の形で上述したα０式に代
入し、本体重心位置及び姿勢角の差分ΔＲ１、ΔφＢを
算出する（ステップ２０３）。次いで時刻ｔ＋Δｔにお
けるφｓｙｒ、Ｒ１、φ３の値を算出しくステップ２０
４）、逆運勧学により地上系アームの関節角φａｘ（ｔ
＋Δｔ）の値を算出する（ステップ２０５）。一方、時
刻ｔにおける関節角の差分φ、Ｘ（ステップ２０２）か
らステップ２０６でｔ＋Δｔにおける宇宙ロボットアー
ムの関節角φ５ｘ（ｔ＋Δｔ）を算出する。ステップ２
０７及び２０８でこのようにして求めた関節角を基にし
てトルク計算を行い、宇宙ロボットのアーム１３及び地
上系アーム１４を連動して動作させる。

第９図は吊り下げ型にした場合の模擬実験装置の実施例
斜視図を示している。固定枠体２１にＹ方向可動部材２
２が取り付けられており、このＹ方向可動部材２２にＸ
方向可動部材２３が取り付けられている。Ｘ方向可動部
材２３には２方向可動部材２４が取り付けられている。

２５はＹ方向並進モータ、２６はＸ方向並進モータ、２
７はＺ方向並進モータである。また、Ｚ方向可動部材２
４には部材２８が姿勢角回転用モータ２９でモータの軸
を中心にして回転自在に取り付けられており、部材２８
には部材３０が姿勢角回転用モータ３１によりモ□−夕
の軸を中心に回転自在に取り付けられており、部材３０
には宇宙用ロボットの本体３２が姿勢角回転用モータ３
３によりモータの軸を中心にして回転自在に取り付けら
れている。

Ｇは宇宙用ロボット本体３２の重心であり、姿勢角回転
用モータ２９，３１．３３の中心軸の延長はＧで交わる
ように構成されている。３４は宇宙用ロボットのアーム
で′ある。本実施例の特徴は並進モータ２５．２６．２
７による並進運動量、及び姿勢角回転用モータ２９，３
１．３３による回転移動量が、宇宙用ロボット本体３２
の重心位置の移動量及び姿勢角の回転量に直接対応する
点である。即ち、本体重心位置Ｒ６及び姿勢角φ。

が地上系アームの各モータ回転量φ□に直接対応する。

故にこの実施例の場合には、第７図のステップ１０３及
び第８図のステップ２０５における逆運勧学によるφ□
の算出を省くことができる。

上述した各実施例は本発明を１腕型宇宙ロボツトに適用
した例について説明したが、本発明が適用可能な宇宙用
ロボットはこれに限定されるものではなく、例えば第１
０図に示すような多腕型宇宙ロボットにも適用可能であ
る。第１０図の宇宙ロボットは、４腕型宇宙ロボツトを
示しており、ロボット本体３５に４本のアーム３６が取
り付けられている。３７は宇宙ロボットの目となるテレ
ビカメラであり、３８はアンテナである。

発明の効果 本発明の模擬実験装置により、無重力空間におけるロボ
ットの３次元的運動を地上において模擬実験することが
可能となる。これにより宇宙ロボットの操作者は地上に
おいて遠隔操作の練習を事前に積み重ねておくことが可
能となり、宇宙空間におけるロボットの動きが実際に見
られることにより、宇宙空間における作業計画等が行い
易くなるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理図、 第２図は慣性座標系とロボット本体重心座標系との関係
を示す図、 第３図は慣性座標系とロボット本体座標系の数学的モデ
ルを示す図、 第４図はオフラインで動作させる場合のフローチャート
、 第５図はオンラインで動作させる場合のフローチャート
、 第６図は本発明実施例のロボット部分概略構成図、 第７図はオフラインで動作させる実施例のフローチャー
ト、 第８図はオンラインで動作させる実施例のフローチャー
ト、 第９図は本発明の他の実施例の斜視図。 第１０図は多腕型宇宙ロボット斜視図である。 １・・・地上用ロボット、 ２・・・宇宙用ロボット、 ３・・・宇宙用ロボット本体、 ４・・・宇宙用ロボットアーム、 ５・・・微分方程式導出手段、 ６・・・演算手段、 ７・・・第１駆動手段、 ８・・・第２駆動手段、 １１・・・宇宙用ロボット本体、 】２・・・本体重心座標系、 １３・・・宇宙用ロボットアーム、 １４・・・地上系アーム、 １５・・・慣性座標系。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 無重力空間における宇宙用ロボットの運動を地上におい
   て３次元的に模擬実験する装置であって、少なくとも６
   自由度を有する地上用ロボット（１）と、 該地上用ロボット（１）の先端に取り付けられた本体（
   ３）とアーム（４）を有する宇宙用ロボット（２）と、
   全運動量保存則及び全角運動量保存則に基づいて、宇宙
   用ロボット本体（３）の重心位置及び姿勢角を求める微
   分方程式を導出する手段（５）と、該微分方程式を使用
   して宇宙用ロボット本体（３）の重心位置及び姿勢角を
   計算する演算手段（６）と、宇宙用ロボット（２）のア
   ーム（４）を動作させる第１駆動手段（７）と、 前記演算手段（６）により計算した宇宙用ロボット本体
   （３）の重心位置及び姿勢角を実現するように、宇宙用
   ロボット（２）の動作に連動して地上用ロボット（１）
   を動作させる第２駆動手段（８）とを具備したことを特
   徴とする宇宙用ロボットの運動模擬実験装置。