JPH03213500A - Gravity-free simulating device - Google Patents

Gravity-free simulating device

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JPH03213500A
JPH03213500A JP925790A JP925790A JPH03213500A JP H03213500 A JPH03213500 A JP H03213500A JP 925790 A JP925790 A JP 925790A JP 925790 A JP925790 A JP 925790A JP H03213500 A JPH03213500 A JP H03213500A
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JP
Japan
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drive mechanism
motion
force
equation
sensor
Prior art date
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Pending
Application number
JP925790A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kiyoshi Ioi
清 五百井
Osamu Noro
治 野呂
Osatake Miki
三木 修武
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Kawasaki Heavy Industries Ltd
Original Assignee
Kawasaki Heavy Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPH03213500A publication Critical patent/JPH03213500A/en
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Abstract

PURPOSE:To facilitate production of the gravity-free state of an object by mounting a test piece on an active drive mechanism, having at least six degrees of freedom, through a sensor, and effecting feedback of the active drive mechanism so that a detecting force and torque are balanced with gravity of the test piece. CONSTITUTION:An active drive mechanism 2, e.g. an industrial robot, is located on a ground 1, and a test piece 4 is mounted on the active drive mechanism 2 through a sensor 3 to detect a force and torque. The sensor 3 is arranged so as to allow detection of the forces of X-Z-axes and torque around the X-Z- axes. The active drive mechanism 2 is formed so that an object 4 can be actively driven in orientation to roll, pitch, and yaw around each of X-Z-axes. Feedback control is made on the active drive mechanism 2 so that a force and torque detected by the sensor 3 are balanced with gravity of the test piece 4, and feed forward control is effected according to the speed detecting value of the test piece.

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、たとえば宇宙船のドツキングなどのように無
重力状態での物体の衝突後の運動などを模擬することが
できるようにするための無重力模擬装置に関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION Field of Industrial Application The present invention relates to a weightless simulator for simulating the motion of an object after a collision in a weightless state, such as docking of a spacecraft. Regarding.

従来の技術 宇宙空間での各種ミッション作業に伴う動作の中には、
捕捉結合動作をはじめとして、力学的に浮遊物体の接触
、衝突現象とみなせる動作が数多く存在する。これらの
接触、衝突を伴う作業が支障なく円滑に遂行されるよう
に機器を設計、製作し、作業計画を立案するなめには、
着目する物体が接触、衝突時にどのような挙動をするか
を出きる限り正確に知る必要がある。このための最も直
接的で有効な方法は、地上において物体の宇宙空間にお
ける浮遊状態を再現することである。
Conventional technology Some of the movements associated with various mission operations in space include:
There are many actions that can be mechanically regarded as contact and collision phenomena of floating objects, including capture and combination actions. In order to design and manufacture equipment and formulate work plans so that work involving contact and collision can be carried out smoothly without any problems, we must
It is necessary to know as accurately as possible how the object of interest behaves when it comes into contact or collision. The most direct and effective method for this purpose is to recreate the floating state of an object in space on the ground.

従来、地上での再現実験には次のような手法が用いられ
てきたが、それぞれに以下のような問題点があった。空
気浮上型や磁気浮上型の実験装置では、物体の運動が平
面内運動に限られ、3次元空間運動を模擬できないとい
う欠点があった。
Conventionally, the following methods have been used for reproduction experiments on the ground, but each method has the following problems. Air levitation and magnetic levitation type experimental devices have the disadvantage that the motion of objects is limited to in-plane motion and cannot simulate three-dimensional spatial motion.

また、重力と浮力を釣り合わせた水中的実験では、水の
抵抗や付加質量のために、物体の動特性が変化してしま
うという問題点があった。
Additionally, underwater experiments in which gravity and buoyancy are balanced have had the problem that the dynamic characteristics of objects change due to water resistance and added mass.

さらに、単純に、6自由度運動機構(たとえば、ガーダ
とジンバル機構で構成された装置)に物体を取り付ける
たけでは、その運動機構の質量特性が物体の運動に影響
するため、物体そのものの運動を再現できないという問
題点があった。
Furthermore, simply attaching an object to a 6-degree-of-freedom motion mechanism (for example, a device composed of a girder and gimbal mechanism) will affect the motion of the object itself because the mass characteristics of the motion mechanism will affect the motion of the object. There was a problem that it could not be reproduced.

また、計算機内部に物体の運動方程式モデルを有して、
時々刻々その運動を数値計算し、物体を動かす手法は、
計算機の負担か大きく、実時間シミュレーションには不
向きであるという難点があった。
In addition, the computer has an equation of motion model for the object,
The method of moving an object by numerically calculating its motion moment by moment is
The problem was that it was a heavy burden on the computer, making it unsuitable for real-time simulation.

さらに、落下基や航空機内で無重力環境をつくり出すの
は、装置が大がかりで長い時間の運動の模擬には適して
いない。
Furthermore, creating a zero-gravity environment on a drop platform or inside an aircraft requires large-scale equipment and is not suitable for simulating long-term motion.

発明が解決すべき課題 本発明の目的は、3次元ての無重力状態を、実時間て容
易に実現することかできるようにした無重力模擬装置を
提供することである。
Problems to be Solved by the Invention An object of the present invention is to provide a zero-gravity simulating device that can easily realize a three-dimensional zero-gravity state in real time.

課題を解決するための手段 本発明は、被試験体を少なくとも6自由度で区分する能
動駆動機構と、 被試験体の能動駆動機構との間に介在され、被試験体に
作用する力およびトルクを検出するセンサと、 前記センサの出力に応答し、そのセンサによって検出さ
れる力およびトルクか被試験体の重力と釣り合うように
能動駆動機構をフィー1〜バツク制御する手段とを含む
ことを特徴とする無重力模擬装置である。
Means for Solving the Problems The present invention provides an active drive mechanism that divides a test object into at least six degrees of freedom, and a force and torque interposed between the active drive mechanism of the test object and acting on the test object. and a means for controlling the active drive mechanism in response to the output of the sensor so that the force and torque detected by the sensor are balanced with the gravity of the test object. This is a zero gravity simulator.

また本発明は、前記制御手段は、動的外力補償を行うこ
とを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that the control means performs dynamic external force compensation.

また本発明は、被試験体の速度を求める速度検出手段を
備え、 前記制御手段は、速度検出手段の出力に応答してフィー
ドフォワード制御することを特徴とする。
Further, the present invention is characterized in that it includes a speed detection means for determining the speed of the test object, and the control means performs feedforward control in response to the output of the speed detection means.

作  用 本発明に従えば、少なくとも能動6自由度運動機1(た
とえば6自由度口ホットアーム)の先に取り付けた物体
の重力をキャンセルし、かつ能動運動機構先端の等価慣
性質量および等価慣性モーメン1〜をできる限り小さく
するように制御を加えて、取り付けた物体があたかも無
重力空間を漂っているかのような運動を簡易的に実現す
る。
Operation According to the present invention, the gravity of an object attached to the tip of at least the active six-degree-of-freedom motion machine 1 (for example, the six-degree-of-freedom mouth hot arm) is canceled, and the equivalent inertial mass and equivalent moment of inertia at the tip of the active motion mechanism are canceled. By applying control to make 1~ as small as possible, it is possible to easily realize the movement of an attached object as if it were floating in a weightless space.

すなわち本発明の基本的考え方は、無重力運動を模擬さ
せたい物体と能動6自由度運動機構先端の取り付は部と
の間に、力/トルクセンサを取り付け、そのセンサ力が
常に被試験体の重力と釣り合うように、能動運動機構を
制御するという考え方である。
In other words, the basic idea of the present invention is to attach a force/torque sensor between the object whose weightless motion is to be simulated and the attachment section at the tip of the active 6-degree-of-freedom movement mechanism, and to constantly apply the sensor force to the object under test. The idea is to control the active movement mechanism so that it balances with gravity.

実施例 第1図は、本発明の一実施例の簡略化した断面図である
。大地1上には産業用ロボットなどの能動駆動機構2が
設けられ、この能動駆動機構2にはセンサ3を介して被
試験体4が取り付けられる。
Embodiment FIG. 1 is a simplified cross-sectional view of one embodiment of the present invention. An active drive mechanism 2 such as an industrial robot is provided on the ground 1, and a test object 4 is attached to the active drive mechanism 2 via a sensor 3.

センサ3は、被試験体4に作用する力およびトルりを検
出する。重力加速度は参照符Gて示されている。
The sensor 3 detects force and torque acting on the test object 4. Gravitational acceleration is indicated by reference G.

センサ3は、直交するX、YおよびZの各軸の力を検出
し、またそれらのX、YおよびZの各軸まわりのトルク
を検出する。6自由度の能動駆動機構2は、たとえばx
、y、zの各軸の位置を取ることができ、またそれらの
各軸まわりのロール、ピッチおよびヨーの姿勢を取って
、物体4を能動駆動することができる。
The sensor 3 detects the force in each of the orthogonal X, Y, and Z axes, and also detects the torque around each of the X, Y, and Z axes. The active drive mechanism 2 with six degrees of freedom is, for example, x
, y, and z, and roll, pitch, and yaw attitudes about these axes to actively drive the object 4.

本発明の3次元における無重力模擬を行うための構成の
理解を容易にするために、まず第2図を参照して、物体
である被試験体4に関する1自由度運動機構を参照して
、本発明の基本的な考え方を1自由度運動において説明
する。物体4の質量をMp、能動1自由度運動機構2a
の質量をMqとする。物体に作用する外力をFe、力セ
ンサ3を介して物体に作用する力をFT、その反作用力
を(−FT)とする。また、能動1自由度運動機構2a
を駆動する駆動力をτ、物体4の変位をXpとする。
In order to facilitate understanding of the configuration for simulating zero gravity in three dimensions according to the present invention, firstly, with reference to FIG. The basic idea of the invention will be explained using one degree of freedom motion. The mass of the object 4 is Mp, the active 1-degree-of-freedom movement mechanism 2a
Let the mass of be Mq. It is assumed that the external force acting on the object is Fe, the force acting on the object via the force sensor 3 is FT, and its reaction force is (-FT). In addition, the active one-degree-of-freedom movement mechanism 2a
Let τ be the driving force that drives the object 4, and let Xp be the displacement of the object 4.

1自由度運動にお(Jる無重力運動とは、質量Mpの物
体4か、外力Feに対してニュートン(Neu+ton
 )の運動方程式、 Mp xp=Fe                ・
・・(1)(・・は時間の2階微分) に従って運動することである。
Zero-gravity motion (J) refers to the motion of an object 4 with mass Mp or Newton (Neu+ton) in response to an external force Fe.
) equation of motion, Mp xp=Fe ・
... (1) (... is the second derivative of time).

ところか、能動1自由度運動機横2aに取り付けられた
物体4の運動方程式は、以下のようになってしまう。
However, the equation of motion of the object 4 attached to the side 2a of the active one-degree-of-freedom motion machine is as follows.

Mp −xp=Fe+Fr             
  ・・(2)Mq −xp=τ−FT       
        ・・・(3)第2式および第3式を和
して、 (Mp+Mq)  xp=Fe+z+        
           ・ (4)τ三〇の場合が受動
的な運動機構に取り付けただけの場合てあり、その場合
、質量は(Mp+Mq)に変わってしまい、物体4その
ものの質量Mpを表現していないことがわかる。
Mp −xp=Fe+Fr
...(2) Mq -xp=τ-FT
...(3) Add the second and third equations, (Mp+Mq) xp=Fe+z+
・ (4) There is a case where τ30 is simply attached to a passive motion mechanism, and in that case, the mass changes to (Mp + Mq), which does not represent the mass Mp of the object 4 itself. Recognize.

そこで、力センサ3の信号F、を利用して、駆動力τを
変化させ、駆動機構2aを能動的に動かせて、MCIの
影響を極力、排除する制御系を構成することを考える。
Therefore, consider configuring a control system that uses the signal F of the force sensor 3 to change the driving force τ and actively move the drive mechanism 2a, thereby eliminating the influence of MCI as much as possible.

すなわち能動駆動機構2aに入力する駆動力τを、第3
図の制御補償器gdを介して τ−−gd   FT               
                         
        ・・・ (5〉と構成する。
In other words, the driving force τ input to the active drive mechanism 2a is
τ−-gd FT through the control compensator gd in the figure.

... Constructed as (5).

第2式、第3式、第5式から、τとF、を消去すると下
式になる。
If τ and F are eliminated from the second, third, and fifth equations, the following equations are obtained.

第6式は、制御補償器gdのゲインが十分大きけれは、
第1式の運動を近似的に表現している。
The sixth equation shows that if the gain of the control compensator gd is sufficiently large,
This approximately expresses the motion of the first equation.

すなわちセンサ3の出力FTをフィードバック制御する
ことで、1自由度運動機構28の質量Mqをほとんど無
視できるようにすることができる。
That is, by feedback-controlling the output FT of the sensor 3, the mass Mq of the one-degree-of-freedom movement mechanism 28 can be made almost negligible.

特に、補償器gdの構成によって、衝突の瞬間の応答を
除いて、FTを速やかにゼロ収束させることができれば
、接触後の運動は、xp力方向物体4の無拘束(無重力
)運動が達成されることになる。
In particular, if the configuration of the compensator gd allows FT to quickly converge to zero, except for the response at the moment of collision, the motion after contact will be an unrestrained (weightless) motion of the object 4 in the direction of the xp force. That will happen.

このような制御補償器gdの構成の例として第3図に示
すP、1.1.D(比例、積分、積分、微分)型の補償
器を考える。このとき、伝達関数表現で (Kv、 Kp、 K、1. K工、≧0)となる。こ
の実際の構成図は、第3図に示されるとおりてあって、
Kpは定数項5であり、s+は微分器6であり、K、、
、に、2およびKvlは定数項を掛算する係数器7,8
.9を示しており、1/Sは積分器10.11を示して
おり、また、減算器12および加算器]3が備えられる
As an example of the configuration of such a control compensator gd, P, 1.1. Consider a D (proportional, integral, integral, differential) type compensator. At this time, the transfer function expression becomes (Kv, Kp, K, 1.K, ≧0). This actual configuration diagram is as shown in Figure 3.
Kp is the constant term 5, s+ is the differentiator 6, and K, ,
, 2 and Kvl are coefficient units 7 and 8 that multiply the constant term.
.. 9, 1/S indicates an integrator 10.11, and a subtracter 12 and an adder]3 are also provided.

第2式、第3式、第5式および第7式がら、Xpおよび
τを消去して、FeからF、への伝達関数G(s>を構
成すると、 Mq、Mp>Oから、K、2=Oのとき、G(s>は安
定な伝達関数となる。
By eliminating Xp and τ from the second, third, fifth, and seventh equations and constructing the transfer function G(s> from Fe to F, then from Mq, Mp>O, K, When 2=O, G(s> becomes a stable transfer function.

またKx2〉0の場合も [Mq+ (1+Kp)・Mpl ・K1□・Mp−M
pKv−KI2・Ml)>0・・・(9) にゲインパラメータを調整すれば、安定な3次遅れ系と
なる。このgdの構成は、P、I型、P、D型の構成を
包含しており、これらは定数ゲインの対応する部分をO
にするだけで実現できる。
Also, when Kx2〉0, [Mq+ (1+Kp)・Mpl・K1□・Mp−M
If the gain parameter is adjusted to pKv−KI2·Ml)>0 (9), a stable third-order lag system will be obtained. This gd configuration includes P, I type, P, and D type configurations, which reduce the corresponding portion of the constant gain to O
This can be achieved by simply doing so.

以上で1自由度運動における物体の無拘束運動が実現で
きることがわかる。以下では物体4が空間内で無重力運
動を模擬する構成についてのべる。
It can be seen from the above that unconstrained motion of an object in one degree of freedom can be realized. The following describes a configuration in which the object 4 simulates weightless motion in space.

第4図は、無重力空間で物体に外力Feが作用する場合
の模式図である。被試験物体4に固定された直交座標系
をΣ9とし、この座標系のベクトルおよびテンソル表現
は、右上肩に添字pを付すものとする。また、能動6自
由度運動機構のすえ付けられた固定座標系をΣ0とし、
この座標系のベクトルおよびテンソル表現は、右上肩に
添字0を付すものとする。
FIG. 4 is a schematic diagram when an external force Fe acts on an object in zero gravity space. It is assumed that the orthogonal coordinate system fixed to the test object 4 is Σ9, and the vector and tensor expressions of this coordinate system are given a subscript p on the upper right shoulder. In addition, the fixed coordinate system in which the active 6-degree-of-freedom motion mechanism is installed is Σ0,
The vector and tensor representations of this coordinate system are assumed to have a subscript 0 on the upper right shoulder.

無重力空間に物体が浮遊しており、この物体に外力Fe
が作用した場合、その運動は、ニュートン オイラー(
Neu+ton −Eu1er)方程式から、以下のよ
うに表現される。d/dtは時間微分を表わす。
An object is floating in weightless space, and an external force Fe is applied to this object.
, the motion is Newton Euler (
Neu+ton −Euler) equation, it is expressed as follows. d/dt represents time differentiation.

ここで、Vpは物体の質量中心の並進速度ベクトル(C
I’)、ωpは物体4の角速度ベクトル(ER3)、M
pは物体4の質量、Hpは物体4の慣性テンソル(3行
3列)、2eは物体の質量中心から外力作用点まてのベ
クトル(ER3)である。
Here, Vp is the translational velocity vector of the center of mass of the object (C
I'), ωp is the angular velocity vector (ER3) of object 4, M
p is the mass of the object 4, Hp is the inertia tensor (3 rows and 3 columns) of the object 4, and 2e is the vector (ER3) from the center of mass of the object to the point of application of external force.

第10式および第11式は、任意の座標系で成立するベ
クトルの等式であるが、両辺をΣ0系で表現してまとめ
ると、行列 ベクトル表現を行って、以下のようになる
Equations 10 and 11 are vector equations that hold true in any coordinate system, but when both sides are expressed in the Σ0 system and summarized, the following is obtained by performing matrix-vector expression.

ただし、 ωpp−−[ωpp]               
   −(14)t を意味し、TopはΣp系からΣ0系への座標変換行列
(直交3行3列)を示す(×はベクトルの外積記号であ
る)。
However, ωpp−−[ωpp]
-(14)t means t, and Top indicates a coordinate transformation matrix (orthogonal 3 rows and 3 columns) from the Σp system to the Σ0 system (x is a vector cross product symbol).

すなわち、第12式で表わされる物体4の運動は、地上
模擬試験で実現したい運動であり、第12式に近い運動
を実現することか本発明によって達成されるべき目標で
ある。
That is, the motion of the object 4 expressed by Equation 12 is the motion desired to be realized in the ground simulation test, and the goal to be achieved by the present invention is to realize a motion close to Equation 12.

さて、地」二においてはこの被試験物体4を能動6自由
度機構に取り付(つて、試験を行わねはならない。第5
図は、地上、すなわち重力場で、能動駆動機構2を介し
て吊り下げられた物体4に作用する外力を示ず模式図で
ある。この第5図において、説明する。
Now, on the second floor, this test object 4 must be attached to the active 6-degree-of-freedom mechanism and the test must be carried out.
The figure is a schematic diagram without showing external forces acting on an object 4 suspended via an active drive mechanism 2 on the ground, ie in a gravitational field. This will be explained with reference to FIG.

まず、能動6自由度機構2の運動を考える。能動6自由
度機[2の被試験物体4の取り付は点から、被試験物体
4に作用する力とモーメントをそれぞれFT、NT(E
IR3)とすれは、能動6自由度運動機構の運動方程式
は となることが知られている。ここて、nqは能動6自由
度機構の慣性行列(6行6列)、fq(q・q)はその
遠心コリオリカ環(6次元ベクトル)、G (q )は
重力項(6次元ベクトル)、τは能動6自由度機構の各
駆動アクチュエータに入力される一般化力、tJ q 
 は能動6自由度機構の物体取り付は点の位置のヤコビ
行列(Σ系の表示)の転置行列(6行6列)である。ま
た、q、q、qはそれぞれの能動アクチュエータの変位
、速度、加速度を表し、6次元ベクトルである(ここで
・は時間の]回微分、・・は時間の2回微分である)。
First, consider the motion of the active six-degree-of-freedom mechanism 2. The mounting of the test object 4 in the active six-degree-of-freedom machine [2
IR3) It is known that the equation of motion of an active six-degree-of-freedom motion mechanism is as follows. Here, nq is the inertia matrix (6 rows and 6 columns) of the active 6-degree-of-freedom mechanism, fq (q・q) is its centrifugal Coriolis ring (6-dimensional vector), G (q) is the gravitational term (6-dimensional vector), τ is the generalized force input to each drive actuator of the active six degrees of freedom mechanism, tJ q
is the transposed matrix (6 rows and 6 columns) of the Jacobian matrix (representation of the Σ system) of the position of the point where the object is attached to the active 6-degree-of-freedom mechanism. Further, q, q, and q represent the displacement, velocity, and acceleration of each active actuator, and are six-dimensional vectors (here, . is the ]-time differential, and . . . is the 2-time differential of time).

さらに、被試験物体4の方の運動方程式を考えると、第
5図のように能動6自由度運動機構取り付は点から、外
力、外モーメントF、、NTが作用するため、第12式
とは異なって以下のようになる。
Furthermore, considering the equation of motion of the object under test 4, as shown in Figure 5, when the active 6-degree-of-freedom motion mechanism is mounted, external forces and external moments F, , NT act from a point, so Equation 12 is The difference is as follows.

ななし、」−式においてa、は被試験物体の質量中心か
ら能動駆動機構取り付は点まてのベタ1ヘル、gは重力
加速度ベクトルである。すなわち、能動駆動機構に取り
付けられた被試験物体は、第15式と第16式に支配さ
れた運動を行うことにより無重力である第12式とは異
なった運動を行う。
In the equation, a is a solid 1 hel from the center of mass of the object to be tested to the point at which the active drive mechanism is attached, and g is the gravitational acceleration vector. That is, the object under test attached to the active drive mechanism performs a motion governed by Equations 15 and 16, which is different from Equation 12, which is zero gravity.

これは簡単な1自由度運動で説明したのと同様て、第1
式の運動にはならず、第2式および第3式に支配された
運動となることの空間運動への拡張となっている。さて
第2式および第3式から第4式を導出したように、第1
5式および第16式を変形する。
This is similar to the simple one-degree-of-freedom motion, and the first
It is not the motion of the equation, but is an extension of the motion governed by the second and third equations to spatial motion. Now, just as we derived the fourth equation from the second and third equations, the first
Transform Equations 5 and 16.

第5図に示すように、被試験物体4と能動駆動機!2の
取り付は点の並進速度をV?、取り付け点の角速度を被
試験物体4のそれと同じとすると、Vr’−Vp0+ω
p’X at’              −(17
)ω、。−ω1〕0                
 ・・・(18)第17式および第18式を時間で1同
機分して、加速度の関係を導くと、 VTOコVll10−1−ωp OX a 、O+ωp
 OX a 、 O・・・(19)0”°−″0°  
              ・・(20)ところで、
能動6自由度機構2の各アクチュエータの変位速度qと
取り付は点の並進速度、角速度には当然関係があるから
、 ここて、Jqは能動6自由度機構のヤコビ行列て、第1
5式に現われた行列と同しものである。
As shown in Figure 5, the object under test 4 and the active drive! Attachment 2 sets the translational speed of the point to V? , assuming that the angular velocity of the attachment point is the same as that of the test object 4, Vr'-Vp0+ω
p'X at' - (17
)ω,. −ω1〕0
...(18) When formulas 17 and 18 are divided into one aircraft per time and the relationship of acceleration is derived, VTO coVll10-1-ωp OX a , O+ωp
OX a, O... (19) 0"°-"0°
...(20) By the way,
Since the displacement speed q of each actuator of the active 6-degree-of-freedom mechanism 2 and its mounting are naturally related to the translational velocity and angular velocity of a point, Jq is the Jacobian matrix of the active 6-degree-of-freedom mechanism, and the first
This is the same matrix that appears in Equation 5.

第21式の両辺を1同機分して加速度の関係を導くと、
下のようになる。
If we divide both sides of Equation 21 into one aircraft and derive the acceleration relationship, we get
It will look like below.

被試験物体4の無重力運動を模擬する可動範囲内で、能
動6自由度運動機構は、機構の特異点を通らず、ヤコビ
行列J qは正則であるとする。このとき第22式から
(−1は逆行列を表す)、4−J、−・((ヰ)−J、
・q) 0丁 ・・・(23) 第23式を第15式に代入して、第19式および第20
式の関係から、■7とω、をωP、VPで表現すると、
以下のようになる。
It is assumed that within the movable range that simulates weightless motion of the test object 4, the active 6-degree-of-freedom motion mechanism does not pass through the singularity of the mechanism, and the Jacobian matrix J q is regular. At this time, from Equation 22 (-1 represents the inverse matrix), 4-J, - ((ヰ)-J,
・q) 0 pieces...(23) Substituting the 23rd formula into the 15th formula, the 19th formula and the 20th formula
From the relationship in the formula, ■7 and ω are expressed as ωP and VP,
It will look like this:

ただし、ここで とした。まなEは3行3列の単位行列である。However, here And so. Mana E is an identity matrix with 3 rows and 3 columns.

また、第16式の[IRア′×]の部分もA。を使■5 って表現し直すと、 第24式および第27式から、F。Also, the part [IR A'×] in formula 16 is also A. Use■5 If you rephrase it, From equations 24 and 27, F.

するとくたたし、tA、−−A、)、 NTを消去 すなわち、この第28式が、能動6自由度機構に被試験
物体4が取り付けられ、能動6自由度機構2の各アクチ
ュエータに入力τが作用し、さらに、被試験物体4に外
力Feが作用する場合の運動方程式であり、簡単な1自
由度機構の第4式に対応するものである。
Then, the test object 4 is attached to the active 6 degrees of freedom mechanism, and the 28th equation is input to each actuator of the active 6 degrees of freedom mechanism 2. This is an equation of motion when τ acts and an external force Fe acts on the test object 4, and corresponds to the fourth equation of a simple one-degree-of-freedom mechanism.

この第28式が、第12式と全く同し式を表わすように
、各アクチュエータの入力τを決めれば、被試験物体4
は無重力運動を実現できたことになる。
If the input τ of each actuator is determined so that the 28th equation expresses exactly the same equation as the 12th equation, then the test object 4
This means that weightless motion has been achieved.

第6図は、6自由度能動駆動機構2の各軸変位情報とそ
の先端に設けられた力/トルクセンサ3の情報を利用し
た無重力運動を模擬するシミュレータのブロック図であ
る。この第6図において、6行6列の対角制御補償器1
5と、6行6列の積演算回路16,17.18と、6行
6列転置ヤコビ行列の積演算回路19および6行6列転
置ヤコビ行列の積演算回路20と、加算回路21,22
゜23とが備えられる。
FIG. 6 is a block diagram of a simulator that simulates weightless motion using displacement information of each axis of the six-degree-of-freedom active drive mechanism 2 and information from the force/torque sensor 3 provided at its tip. In this FIG. 6, a diagonal control compensator 1 arranged in 6 rows and 6 columns
5, 6 rows and 6 columns product calculation circuits 16, 17, 18, 6 rows and 6 columns transposed Jacobian matrix product calculation circuit 19, 6 rows and 6 columns transposed Jacobian matrix product calculation circuit 20, and adder circuits 21 and 22.
゜23 is provided.

第12式と第28式を比較して、両式が等しくなる条件
は、下の等式となる。
Comparing the 12th equation and the 28th equation, the condition that the two equations are equal is the following equation.

第29式を簡単化して、 したがって能動6自由度駆動機構の出力τを静的力τS
および゛動的力τ。の和 τ = τ + τD) として、 ただし、第31式において を利用した。
Simplifying Equation 29, we can therefore convert the output τ of the active six-degree-of-freedom drive mechanism into the static force τS
and the dynamic force τ. The sum of τ = τ + τD) is used in Equation 31.

すなわち、第31式の静的力τSと動的力τ。That is, the static force τS and the dynamic force τ in Equation 31.

を理想的に入力できれば、第28式の運動は、目標とす
る第12式の運動を実現することになる。
If it is possible to input ideally, the motion of the 28th formula will realize the target motion of the 12th formula.

しかしなから、上記入力の動的力τゎは加速度を含む動
的フィードフォワード類となるため、その実現は難しい
However, since the input dynamic force τ is a dynamic feedforward type that includes acceleration, it is difficult to realize this.

そこで、静的力τSはフィードフォワード計算で補償し
、動的力τ。は力検出器(力/トルセンサ)3からフィ
ードバック補償で補償する手法を提案する。
Therefore, the static force τS is compensated by feedforward calculation and the dynamic force τ is calculated. proposes a method of compensation using feedback compensation from the force detector (force/torque sensor) 3.

第7図は、この第6図における無重力運動シミュレータ
の構成図においてさらに非線型速度のフィードフォワー
ド5を追加した実施例を示すブロック図である。6行6
列ヤコし行列の時間積分の積演算回路25と、6行6列
逆ヤコヒ行列の積演算回路26と、6行6列慣性行列の
積演算回路27と、加算回路28.29とが備えられる
FIG. 7 is a block diagram showing an embodiment in which a nonlinear velocity feedforward 5 is further added to the configuration diagram of the weightless motion simulator shown in FIG. 6. 6 rows 6
A product calculation circuit 25 for time integration of a column Jacobs matrix, a product calculation circuit 26 for a 6-by-6 inverse Jacobs matrix, a product calculation circuit 27 for a 6-row and 6-column inertia matrix, and addition circuits 28 and 29 are provided. .

τ0を以下のように構成する。Configure τ0 as follows.

第34式において、Fア、NTは能動6自由度駆動機構
2と被試験物体4の取り付は部に装備された力/トルク
センサ3から検出可能とし、またGFは制御用補償器(
6行6列)である。
In Equation 34, FA and NT can detect the attachment of the active 6-degree-of-freedom drive mechanism 2 and the test object 4 from the force/torque sensor 3 installed in the part, and GF is the control compensator (
6 rows and 6 columns).

ところで、この第34式は第16式の等式を考えると、
以下のように表現できる。
By the way, considering the equation of Equation 16, this Equation 34 becomes
It can be expressed as follows.

したがって、第31式の静的力τSと第34式の動的フ
ィードバックτ。を適用した場合、第31式と第35式
を第28式に代入した式が、被試験体を支配する方程式
となる。第31式および第35式を第28式に代入して
、τを消去して以下の式が導かれる。
Therefore, the static force τS in Equation 31 and the dynamic feedback τ in Equation 34. When applying, the equation obtained by substituting equations 31 and 35 into equation 28 becomes the equation that governs the test object. By substituting Equations 31 and 35 into Equation 28 and eliminating τ, the following equation is derived.

tυ 第36式は、簡単な1自由度の場合の第6式に対応して
おり、制御補償器GFのゲインが十分大きければ、第3
6式の左辺は相対的に影響が少なくなり、第12式の運
動に漸近することになる。
tυ Equation 36 corresponds to Equation 6 in the simple case of one degree of freedom, and if the gain of control compensator GF is sufficiently large, the third
The left side of Equation 6 has relatively little influence, and the motion approaches the motion of Equation 12.

制御補償器GFの代りに、以下の式て新しく制御補償器
Gゎ (6X6)を定義する。
Instead of the control compensator GF, a new control compensator G (6×6) is defined using the following equation.

このときGFのG。に対する関係は、 GDは6行6列の補償要素であるが、その最も簡単な構
成は、第7式のように、対角成分たけに、P、1.1.
D型の補償器で構成ずれば良い。さらにはG。の非対角
成分にも補償要素を入れて、さらに特性の良い補償器G
Dを構成することも可能である。
At this time, GF's G. GD is a compensation element with 6 rows and 6 columns, but its simplest configuration is as shown in Equation 7, where only the diagonal components are P, 1.1.
It is sufficient to use a D-type compensator. Furthermore, G. By adding a compensation element to the off-diagonal components of G, we can create a compensator G with even better characteristics.
It is also possible to configure D.

第31式と第3・1式に基づいた前述の第6図のコンl
−ローラの構成において、図中のは被試験体の質量中心
と、能動6自由度運動機構の取り付は点の位置だ(Jで
決定される定数行列である。tJq は能動6自由度運
動機構の転置ヤコし行列のため、時々刻々行列の成分が
変化するため、マイクLTIコンピュータで演算、更新
を行う。
The controller in Figure 6 above based on Equation 31 and Equation 3.1
- In the configuration of the roller, the center of mass of the test object in the figure and the attachment point of the active 6-degree-of-freedom motion mechanism are the constant matrix determined by J. tJq is the active 6-degree-of-freedom motion Because it is a transposed Jacobs matrix of the mechanism, the components of the matrix change from time to time, so calculations and updates are performed by the Microphone LTI computer.

第6図の破線部]4が、第31式のでSと第34弐めT
4、を使った基本構成である。
Broken line part in Figure 6] 4 is the 31st formula, so S and 34th 2nd T
This is the basic configuration using 4.

次に、さらに進んな構成の例を与える。これは能動6自
由度運動機構の速度qも検出可能の場合か、あるいは(
1から疑似微分qを生成してqを情報として使用できる
場合に有効な手法である。qか検出てきることから、新
しく入力fFとして、以下の入力を加える。
Next, we will give an example of a more advanced configuration. This is the case when the velocity q of the active six-degree-of-freedom motion mechanism can also be detected, or (
This is an effective method when a pseudo-differential q can be generated from 1 and q can be used as information. Since q is detected, the following input is added as a new input fF.

すなわち、能動6自由度運動機構の入力τとして、τ=
τS+τD十τF                 
      ・・・(41)を考える。この補償を行っ
た場合、第36式左辺の速度に関する項がなくなって、
以下のようになる。
That is, as the input τ of the active six-degree-of-freedom motion mechanism, τ=
τS+τD×τF
...Consider (41). When this compensation is performed, the term related to speed on the left side of Equation 36 disappears,
It will look like this:

τ、は非線型速度のフイートフオワー1く項を追加する
ことに対応しており、応答はすくれたものになるが、逆
ヤコビ行列の演算(=Jq−’)や、能動6自由度運動
機構の慣性行列IIqの計算等の演算の負担が増える。
τ corresponds to adding one foot-feed term of nonlinear velocity, and the response becomes sloppy, but it is useful for calculation of the inverse Jacobian matrix (=Jq-') and active six-degree-of-freedom motion mechanism. The burden of calculations such as calculation of the inertia matrix IIq increases.

しかしながら、マイクロコンピュータを増設すれは十分
可能で、その構成図を、前述の第7図に示す。
However, it is quite possible to add a microcomputer, and the configuration diagram thereof is shown in the above-mentioned FIG. 7.

以−ト、被試験物体の無重力運動を模擬するために、能
動6自由度運動機構に取り付け、その取り付は点の力/
)ルクをフィードバック制御することで無重力運動模擬
装置を構成することがてきる。
In order to simulate the weightless motion of the test object, it is attached to an active 6-degree-of-freedom motion mechanism, and its attachment is performed using a point force/
) A zero-gravity motion simulator can be constructed by feedback-controlling the torque.

この発明では、能動駆動機構の変位と力検出器の力/ト
ルクだけを利用する構成と、さらに能動駆動機構の速度
情報も利用する構成かある。
In the present invention, there are two configurations: one that uses only the displacement of the active drive mechanism and the force/torque of the force detector, and another that uses speed information of the active drive mechanism.

発明の効果 以上のように本発明によれば、少なくとも6自由度を有
するロボツ1〜などのような能動駆動機構に、力および
トルクを検出するセンサを介して被試験体を取りイ」け
、このセンサによって検出される力およびトルクが被試
験体の重力と釣り合うように能動駆動機構をフィードバ
ックするようにしたので、3次元で物体の無重力状態を
比較的容易にかつ実時間で実現することが可能である。
Effects of the Invention As described above, according to the present invention, a test object is taken into an active drive mechanism such as a robot 1 having at least six degrees of freedom via a sensor that detects force and torque. Since the force and torque detected by this sensor are fed back to the active drive mechanism so as to balance the gravity of the test object, it is possible to realize a zero gravity state of the object in three dimensions relatively easily and in real time. It is possible.

さらにまた本発明によれば、制御手段は動的外力補償を
行い、さらにまた被試験体の速度を検出し、その速度検
出手段の出力に基づいてフィードフォワード制御を行う
ようにし、これによって高精度の無重力状態を実現する
ことが可能となる。
Furthermore, according to the present invention, the control means performs dynamic external force compensation, detects the speed of the test object, and performs feedforward control based on the output of the speed detection means, thereby achieving high accuracy. It becomes possible to realize a state of zero gravity.

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

第1図は本発明の一実施例の無重力模擬装置の概要を示
す断面図、第2図は物体4が取り付けられた]自由度運
動機構2aを示す図、第3図は補償器gdの構成を示す
ブロック図、第4図は無重力空間で物体に外力Feが作
用する場合の模式図、第5図は地上の重力場で能動駆動
機構2を介して吊り下げられた物体4に作用する外力を
示す模式図、第6図は6自由度能動駆動機構2の各軸変
位情報とセンサ3の情報とを利用した無重力運動模擬装
置の構成を示すブロック図、第7図は本発明の他の実施
例における非線型速度のフィードフォワード項を追加し
た構成を示すブロック図である。 1・・・大地、2,2a・・・能動駆動機構、3・・・
センサ、4・・・重力 代理人  弁理士 画数 圭一部
FIG. 1 is a sectional view showing an outline of a zero gravity simulating device according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a view showing a degree of freedom motion mechanism 2a with an object 4 attached, and FIG. 3 is a configuration of a compensator gd. 4 is a schematic diagram of an external force Fe acting on an object in zero gravity space, and FIG. 5 is a schematic diagram of an external force acting on an object 4 suspended via an active drive mechanism 2 in a gravitational field on the ground. FIG. 6 is a block diagram showing the configuration of a zero-gravity motion simulating device using displacement information of each axis of the six-degree-of-freedom active drive mechanism 2 and information from the sensor 3. FIG. FIG. 2 is a block diagram showing a configuration in which a nonlinear velocity feedforward term is added in an embodiment. 1... Earth, 2, 2a... Active drive mechanism, 3...
Sensor, 4... Gravity Agent Patent Attorney Stroke Number Keiichi

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)被試験体を少なくとも6自由度で区分する能動駆
動機構と、 被試験体の能動駆動機構との間に介在され、被試験体に
作用する力およびトルクを検出するセンサと、 前記センサの出力に応答し、そのセンサによつて検出さ
れる力およびトルクが被試験体の重力と釣り合うように
能動駆動機構をフィードバック制御する手段とを含むこ
とを特徴とする無重力模擬装置。
(1) an active drive mechanism that divides the test object into at least six degrees of freedom; a sensor that is interposed between the active drive mechanism of the test object and detects the force and torque acting on the test object; and the sensor and means for feedback controlling an active drive mechanism in response to the output of the sensor so that the force and torque detected by the sensor are balanced with the gravity of the test object.
(2)前記制御手段は、動的外力補償を行うことを特徴
とする特許請求の範囲第1項記載の無重力模擬装置。
(2) The weightless simulator according to claim 1, wherein the control means performs dynamic external force compensation.
(3)被試験体の速度を求める速度検出手段を備え、前
記制御手段は、速度検出手段の出力に応答してフイード
フオワード制御することを特徴とする特許請求の範囲第
1項記載の無重力模擬装置。
(3) A speed detecting means for determining the speed of the test object is provided, and the control means performs feed forward control in response to the output of the speed detecting means. Zero gravity simulator.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9194977B1 (en) 2013-07-26 2015-11-24 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Active response gravity offload and method

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US9194977B1 (en) 2013-07-26 2015-11-24 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Active response gravity offload and method

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