JPH03178788A

JPH03178788A - マニピュレータの制御方法

Info

Publication number: JPH03178788A
Application number: JP1315338A
Authority: JP
Inventors: Naoya Ezawa; 江沢　直也; Shinichi Takarada; 真一宝田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-12-06
Filing date: 1989-12-06
Publication date: 1991-08-02
Also published as: US5130632A

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】［産業上の利用分野］本発明は力センサを有する宇宙用マニピュレータ等のマ
ニピュレータの制御方法に関する。

［従来の技術］従来のマニピュレータの制御方法は、第４回宇宙ステー
ション講演会（１９８８年４月２８日）「宇宙用先端運
動対応制御マニピュレータシステム」に示されるように
、マスクおよびスレーブアームから成るマニピュレータ
システムにおいて６自由度のスレーブアーム先端に取り
付けた１つの力センサによりマニピュレータに加わる負
荷を検出して、マスタアームに帰還することによりオペ
レータに力感覚を伝える方法となっていた。

［発明が解決しようとする課題］上記従来技術は力センサが過負荷を検出した場合にはマ
ニピュレータの動作を一旦停止しなければならないため
作業効率の点で問題があった。また力センサが過負荷を
検出してもマニピュレータのアーム部および関節機構等
の構造部材に加わる負荷を軽減する手段を持たないため
、所要の運用寿命を確保するには各構造部材の強度安全
率を十分とる必要があり、マニピュレータを小型化・軽
量化する上で大きな障害となっていた。特にマニピュレ
ータ関節部における減速機はモータからの出力を減速し
て関節駆動に必要なトルクを出力する機能を持つが、減
速機が出力側から駆動されて増速された場合には減速時
に比べて負荷を制限する必要があるため、強度安全率を
とった場合にマニピュレータ関節部を小型化・軽量化す
る上で大きな制約となるなどの問題があった。

本発明の目的はマニピュレータの力センサの出力を利用
してマニピュレータの各構造部材にある一定値以上の負
荷が加わった場合に、これらの負荷を除去または軽減す
る制御を行うことを可能とすることにより、負荷が加わ
っても一旦マニピュレータを停止することなく作業を遂
行できるようにし、またマニピュレータの各部材につい
て最適な強度を与えることによりマニピュレータの小型
化・軽量化を可能とする力センサによるマニピュレータ
の制御方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］上記目的を達成するために１本発明によるマニピュレー
タの制御方法はマニピュレータに取り付けた力センサの
出力からマニピュレータの各部材に加わる負荷を算出し
、例えばこれが各部材の強度の許容値に近づいた場合に
はこれらの部材に加わる負荷を軽減するように各関節を
駆動する制御を行うようにしたものである。

［作用］上記のマニピュレータの制御方法はマニピュレータに取
り付けられた力センサの出力に対し座標変換を行うこと
によってマニピュレータ上の強度モニタが必要な個所に
加わる力およびモーメントを算出し、次にこの負荷を当
該個所の許容強度値と比較し負荷の大きさが許容強度に
対しである一定の割合に達した場合には当該個所の負荷
が軽減されるように各関節を動作させる。またここで当
該個所が第１関節であった場合にはその駆動方向を逆転
させることによって第１関節に加わる負荷を軽減し、さ
らにこの時の第１関節が逆転することによって生じるマ
ニピュレータ先端の位置および姿勢の変化分については
これを逆変換してこの変化を補正する制御量を演算し、
これらの制御量で第１関節以外の関節を駆動することに
よって補正制御を行いマニピュレータ先端の位置および
姿勢を維持することができる。

［実施例］以下に本発明の実施例を第１図から第７図により説明す
る。

第１図は本発明によるマニピュレータの制御方法の一実
施例を示すマニピュレータの構成図である。マニピュレ
ータ１０１は第１関節１０２から第７関節１０８の７つ
の関節と、基部に取り付けた力センサＡ１０９と、先端
に取り付けた力センサＢ１１０と、先端のエンドエフェ
クタ１１１とから成る。ここでマニピュレータ１０１上
の任意の点に加わる力およびモーメントを算出する方法
の一例として、力センサＢＩＩＯの出力より第３関節１
０４に加わる力およびモーメントを算出する過程を次に
示す。

マニピュレータ１０１の第１関節１０２から第７関節１
０８における座標変換行列をＡ１〜Ａ７とする。ここで
Ａ０〜Ａ７は４×４行列である。このときカセンサＢＩ
ＩＯの座標系を第３関節の座標系で表すための座標変換
行列Ｘ３は次式で与えられる。

このときＸ３の成分を次のように表現する。

また力センサＢ１１０で検出した力およびモーメントＦ
ｅを次に示す６次のベクトルで表現する。

このとき第３関節１０４に加わる力およびモーメントＦ
３は次式で与えられる。

Ｆ、　＝　（ｆ　、ｚ、　ｆ　、ｙ、　ｆ　３□、ｍ３
ｚ、ｍ３ｙ、ｍ、、）”＝　Ｙ、　ＦＢ＝（４）ここでなおＰ３＝　　（Ｐ３χｔ　　Ｐａ）’ｔ　　ｐ３Ｚ）”ａ
ｙ＝　　Ｃａ３Ｘ＋　　ａａ＞’ｔ　　ａ３ｚ）”であ
り、（）え、（）ｙ、（）２はそれぞれ（）内のＸ成分
、ｙ成分、２次分を表す。

このような算出方法を用いて少なくとも１つの力センサ
Ｂ１１０の出力ＦＢからマニピュレータＬＯＩ上の任意
の点の第ｉ関節上に加わる力およびモーメントＦ、は一
般に次式で求めることが可能である。

Ｆ、＝Ｙ、ＦＢ　　　　　　　　　　　　　　　　　・
・・（７）このとき第ｉ関節の座標系をその回転軸が２
軸となるようにとれば、第ｉ関節回りにががるモーメン
トはｍＩｚで、第ｉ関節にかがる垂直な力はｆ　、、＋
　ｆ　ｔｙで得ることができる。この算出方法を用いて
マニピュレータ１０１の制御を行うことが可能である。

なお少なくとも２つの力センサＡ１０９、　ＢＩＩＯの
校正方法として、力センサＡ１０９゜Ｂ１１６の出力を
つき合わせることにより、これらの力センサＡ１０９．
　ＢＩＩＯの校正を行うこと力Ｓ可能である。つぎにな
るべく少ないエネルギー消費量でマニピュレータ１０１
を制御する方法を第２図により説明する。

第２図は第１図のマニピュレータ１０１のエネルギー消
費を節約する制御方法の一実施例を示す制御ブロック線
図である。マニピュレータ１０１の第１関節１０２〜第
７関節１０８はそれぞれアクチュエータ２０１〜２０７
と角度センサ２０８〜２１４とから成る。つぎに順を追
って信号の流れを説明する。マニピュレータ１０１の先
端にかかる力およびモーメントを力センサＢ１１０で検
出する。この力およびモーメントＦ、を用い、モーメン
トｍｉ□計算部２１５により（７）式を用いて第１〜第
７関節１０２〜１０８回りにかかるモーメントｍ１□〜
ｍ７□を求めることができる。

この７つのモーメントｍ１□〜ｍ７□の信号を受けて比
較器２１６では第１〜第７関節１０２〜１０８がこれか
ら動くべき方向に対して最も大きな動力を必要とする関
節を求め、その関節番号を逆変換部２１８へ引き渡す。

逆変換部２１８では目標値発生回路２１７からマニピュ
レータ１０１の先端の位置・姿勢の目標値を受け、そし
て比較器２１６から受けた関節番号を除く６つの関節に
対して逆変換を行い、その６つの関節に対する指令値を
出力する。このとき比較器２１６から受けた関節番号に
対しては現状の角度を維持する指令値を出力する。これ
らの指令値は角度センサ２０８〜２１４で検出した角度
の現在値との差分をとり、アクチュエータ２０１〜２０
７へ入力して駆動する。

この制御方法によれば最もエネルギーを消費する関節を
除く６つの関節を用いてマニピュレータ１０１を制御す
ることができる。つぎにマニピュレ−タの各関節にかか
るモーメントがしきい値を越えた場合に、そのしきい値
を越えた関節を保護するためにマニピュレータの姿勢を
変える制御方法を第３図により説明する。

第３図は第を図のマニピュレータ１０１の各関節部に加
わる負荷モーメントを軽減する制御方法の一実施例を示
す制御ブロック線図である。この制御方法は第２図と比
べて制御ブロックのしきい値比較器３０１と逆変換部３
０２の部分のみが異なるため、この部分の動作について
のみ次に説明する。モーメントｍｉｚ計算部２１５によ
り求めた第１〜第７関節１０２〜１０８回りにかかるモ
ーメントｍ１□〜ｍ７□はしきい値比較器３０１に送ら
れる。しきい値比較器３０１では各関節に対するしきい
値と関節回りにかかっているモーメントｍ１２！〜ｍ７
□とを比較し、しきい値を越えている関節に対してはそ
の度合を逆変換部３０２へ伝える。逆変換部３０２では
しきい値を越えている関節に対してはその度合にしたが
って関節回りにかかっているモーメントを緩和する方向
へ動かすように指令値を出し、残りの関節に対しては目
標値発生回路２１７からの目標値にもとづき逆変換を行
い指令値を出す。この際しきい値を越えている関節がＯ
か１つのときには目標値の全てを満足することができ、
それ以上のときにはマニピュレータ１０１の先端の位置
・姿勢のうちのいずれかを犠牲にする。

この制御方法によればマニピュレータの各関節にかかる
モーメントがしきい値を越えた場合に、そのしきい値を
越えた関節を保護するためにマニピュレータの姿勢を変
え、各関節にかかる負荷モーメントを軽減することが可
能である。つぎにマニピュレータ１０１の先端が拘束さ
れ力を受けているときにそれを緩和する制御方法を第４
図により説明する。

第４図は第１図のマニピュレータ１０１先端が拘束され
ている場合に負荷を緩和する制御方法の一実施例を示す
制御ブロック線図である。この図は簡単化のため６およ
び７次元の信号量をいずれも１本の矢印で示している。

力センサＢ１１０によりマニピュレータ１０１先端にか
かる力およびモーメントを検出する。正変換部４０１で
はこれにもとづきこの力およびモーメントを基準座標系
で表現したものを得る。これは（１）〜（７）式にもと
づいて得ることができ、この方およびモーメントをＦＮ
と表現する。この方およびモーメントＦＮから移動量作
成部４０２ではマニピュレータ１０１先端の動かすべき
移動量を次のようにして得る。

ＦＮ＝　（ｆＮｚ夛ｆＮ＞’＊　ｆＮＺｙ　ｍＮｘ＋　
ｍＮｙ＊　ｍＮｚ）””（８）としたとき、Ｘ方向移動量＝に１ｆＮχ ｙ方向移動量＝に１ｆＮｙピッチ角変動量＝　Ｋ　、　ｍ　ＮＹヨー角変動量＝　Ｋ　２　ｍ　ＮＺここでに、、に、は定数である。これらの移動量および
変動量を積分部４０３では積分し、マニピュレータ１０
１先端の位置・姿勢の目標値として逆変換部４０４へ引
き渡す。逆変換部４０４ではこれをもとに逆座標変換を
行うことによりマニピュレータ１０１の第１〜第７関節
１０２〜１０８への指令値を得る。この指令値と角度セ
ンサ２０８〜２１４の検出した角度の現在値との差分を
とり、アクチュエータ２０１〜２０７へ入力して駆動す
る。

この制御方法によればマニピュレータ１０１の先端が拘
束され力を受けている時にそれを緩和するようにマニピ
ュレータ１０１の姿勢を変えることが可能である。つぎ
にマニピュレータ１０１の制御方法の軌道上作業機への
適用例を第５図により説明する。

第５図は第１図のマニピュレータ１０１の制御方法の軌
道上作業機への適用例を示す外観図である。

この宇宙軌道上作業機は作業機本体５２０と、展開アー
ム５００と、アダプタ５０５と、マニピュレータ（１）
１０１と、マニピュレータ（２）１３０とから構成され
る。

ここで展開アーム５００は基部５２１を介して作業機本
体５２０に取り付けられ、さらに展開アーム５００の先
端にはアダプタ５０５を介して２本のマニピュレータ（
１）１０１．　（２）１３０が取り付けられており、こ
の展開アーム５００はその第１〜第４関節５０１〜５０
４により先端のマニピュレータ（１）ＬＯＩ、　（２）
１３０を作業に最適な個所へ移動し支持するものである
。また展開アーム５００のアーム部にはエレクトロニク
ス部５１０が取り付けられており、展開アーム５００お
よび２本のマニピュレータ（１）１０１．　（２）１３
０の電源および制御装置を持つ。マニピュレータ（２）
　１３０の先端にはエンドエフェクタ（２）１３１があ
り、アダプタ５０５にはステレオカメラ１２０がある。

つぎにこの軌道上作業機の作業例を第６図により説明す
る。

第６図は第５図の軌道上作業機の作業例を示す外観図で
ある。この軌道上作業機６１０はアンカアーム６１１に
よりＳ露作業台６２０＆こぞれ自体を固定している。ま
た作業機６１０に展開アーム５００およびアダプタ５０
５を介して取り付けられているマニピュレータ（２）　
１３０はその先端に取り付けたエンドエフェクタ（２）
１３１でペイロード６００のブイクスチャ（１）６０１
を把持し、これを曝露作業台６２０上に設置する作業を
行う。ここでペイロード６００が比較的大きいため、マ
ニピュレータ（１）１０１．　（２）１３０で移動。

押付け、および支持等の作業を行っている際にペイロー
ド６００の慣性力により過大な負荷を受けることがある
。この場合に各関節の許容負荷の値に対して実負荷があ
る一定の割合に達した時点でその関節の駆動を逆転し、
他の関節の動作でこれを補助することしこより所定の作
業を進めながら過大な負荷が加わることを回避可能であ
る。つぎに軌道上作業機の別の作業例を第７図により説
明する。

第７図は第５図の軌道上作業機の他の作業例を示す外観
図である。この軌道上作業機は展開アーム５００と、ア
ダプタ５０５と、２本のマニピュレータ（１）１０１．
　（２）１３０とから成る複合マニピュレータシステム
が曝露作業台７００から電力および信号の受給をされな
がら、作業台７００上を移動して作業を行う例である。

マニピュレータ（ｔ）ｔｏｉはその先端に取り付けたエ
ンドエフェクタ（２）　１３１で曝露作業台７００上に
設置されたフィクスチャ（２）７０１を把持し、複合マ
ニピュレータシステム全体を支持している。また展開ア
ーム５００の他端にはエンドエフェクタ（３）７１０が
取り付けてあり、ｇｋ露作業台７００上に取り付けられ
たフィクスチャ（３）７０２を把持しようとしている。

ここでエンドエフェクタ（３）７１０がフィクスチャ（
３）７０２を把持すると、複合マニピュレータシステム
を構成する各部位には把持に伴う負荷が加わるが、この
場合にマニピュレータ（Ｌ）１０１に取り付けられた力
センサＡ１０９および力センサＢＩＩＯの出力を利用し
て、各部に加わる負荷が許容値を超えないように制御が
可能である。

［発明の効果コ本発明によれば、マニピュレータの各構成部材に加わる
負荷を能動的に制御できるので、構成要素の強度に関し
て最適設計が可能となり、この結果マニピュレータアー
ムおよび減速機をはじめとするマニピュレータ関節部の
小型化・軽量化が可能となる。また同一作業を遂行する
場合でも負荷の少ない関節を優先的に駆動する制御方法
により、マニピュータの消費電力を節約することができ
るので、この結果で軌道上作業機等のエネルギー源が限
られた宇宙船上でマニピュータを運用する場合には搭載
バッテリーの最小化が可能となり、また同一バッテリー
容量でもより長時間の運用が可能となるため作業能力が
向上できる。さらにある一定値以上の負荷がマニピュー
タに加わった場合に、負荷の大きい関節の動作を逆転さ
せる等でマニピュレータの姿勢を変えながらマニビュー
タの動作を止めずに対応することができるので、作業効
率を向上させることが可能となるなどの効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるマニピュレータの制御方法の一実
施例を示すマニピュレータの構成図、第２図は第１図の
エネルギー消費を節約する制御方法の制御ブロック線図
、第３図は第工図の各関節部の負荷モーメントを軽減す
る制御方法の制御ブロック線図、第４図は第１図の先端
が拘束される場合の負荷を緩和する制御方法の制御ブロ
ック線図、第５図は第１図の軌道上作業機への適用例の
外観図、第６図は第５図の作業例の外観図、第７図は第
５図の他の作業例の外観図である。１０１・・・マニピュレータ（１）、１０２〜１０８・
・・第１〜第７関節、　１０９．１１０・・・力センサ
Ａ、Ｂ、１１１・・エンドエフェクタ、２０１〜２０７
・・・アクチュエータ、２０８〜２１４・・・角度セン
サ、２１５・・・ｍ、２．計算部、２１６・・・比較器
、２１７・・・目標値発生回路、２１８・・・逆変換部
、３０１・・・しきい値比較器、３０２・・・逆変換部
、４０１・・・正変換部、４０２・・・移動量作成部、
４０３・・・積分部、４０４・・・逆変換部、１３０・
・・マニピュレータ（２）、１３１・・・エンドエフェ
クタ（２）、５００・・・展開アーム、５０１〜５０４
・・・第１〜第４関節、５０５・・・アダプタ、５１０
・・・エレクトロニクス部、５２０・・・軌道上作業機
本体、６００・・・ペイロード、６１０・・・軌道上作
業機、６１１・・・アンカアーム、６２０・・・曝露作
業台、７００・・・曝露作業台、７０１，７０２・・・
フィクスチャ（２）、（３）、７１０・・・エンドエフ
ェクタ（３）。

Claims

【特許請求の範囲】１、少なくとも２つの自由度を持ち根元から先端に至る
部位の少なくとも１個所に１つの力センサを持つマニピ
ュレータにおいて、少なくとも１つの力センサの出力か
らマニピュレータ上の任意の点に加わる力およびモーメ
ントを算出する算出方法を用いてマニピュレータの制御
を行うマニピュレータの制御方法。２、上記算出方法を用いてマニピュレータの各部位に加
わる力およびモーメントを検出し、マニピュレータの各
部位の許容荷重および許容負荷モーメントを超える力お
よびモーメントが加わることを制限する請求項１記載の
マニピュレータの制御方法。３、上記算出方法を用いて少なくとも２つの力センサか
らの出力をつき合わせることにより、これらの力センサ
の校正を行う力センサの校正方法を用いた請求項１記載
のマニピュレータの制御方法。４、上記算出方法を用いてマニピュレータの各関節に加
わる力およびモーメントを検出し、マニピュレータに所
定の動作を行わせる場合に負荷の少ない関節を駆動する
ことにより、マニピュレータ全体の消費エネルギーを最
少化する請求項１記載のマニピュレータの制御方法。５、上記算出方法を用いてマニピュレータの各部位に加
わる力およびモーメントを検出し、マニピュレータの各
部位に加わる負荷が制限値に近づいた場合にマニピュレ
ータの姿勢を変えることにより、当該部位への負荷を軽
減する請求項１記載のマニピュレータの制御方法。６、上記マニピュレータは宇宙軌道上作業機に用いる請
求項１または請求項２記載のマニピュレータの制御方法
。