JPH04190691A - Motor controller for fixed-tension suspended mechanism - Google Patents

Motor controller for fixed-tension suspended mechanism

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Publication number
JPH04190691A
JPH04190691A JP2289845A JP28984590A JPH04190691A JP H04190691 A JPH04190691 A JP H04190691A JP 2289845 A JP2289845 A JP 2289845A JP 28984590 A JP28984590 A JP 28984590A JP H04190691 A JPH04190691 A JP H04190691A
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JP
Japan
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tension
wire
gravity
command value
torque
Prior art date
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Pending
Application number
JP2289845A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Kaku Ejiri
革 江尻
Tsugihito Maruyama
次人 丸山
Shinji Kanda
真司 神田
Yuichi Sato
裕一 佐藤
Hironori Fujii
裕矩 藤井
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.)
Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Filing date
Publication date
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Abstract

PURPOSE:To constitute the title motor controller in a winding type by calculating the torque command value of the drive motor of a winding mechanism which reduces the tension of the mechanism by the fluctuated amount of the detected output of a tension sensor on the basis of the detected output of the sensor. CONSTITUTION:A control circuit 106 reduces the fluctuation of the tension on a suspension wire 103 and maintains the wire 103 at a fixed tension level by generating a torque command value on the basis of the detected output of a tension sensor 104 and driving a drive motor 105 on the basis of the torque command value. A statical friction offset generating means 107 generates a statical friction offset and eliminates the influence of statical friction when the motor 105 is started from a stopped state by adding the statical friction offset to the detected output of the sensor 104. In addition, a kinetic friction offset generating means 108 generates a kinetic friction offset and eliminates the influence of kinetic friction when the motor 105 is rotated by adding the kinetic friction offset to the detected output of the sensor 104.

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(第1図) 作用 実施例C第2図〜第46図) 1、無重力模擬実験システムの基本方式1、1.オフラ
イン無重力模擬実験システム11、1.1.全体構成 a、シミュレーションデータ作成部 す、多関節構造体(宇宙ロボット) C0無重力模擬装置 1.1.2.要素部品 a、張力一定吊り機構部 ■、鉛直方向の動作機構 イ、吊り張力調整方式。
[Detailed description of the invention] [Table of contents] Overview Industrial field of application Conventional technology Problems to be solved by the invention Means for solving the problems (Fig. 1) Working examples C Figs. 2 to 46) 1. Basic method of zero-gravity simulation system 1. Offline zero gravity simulation experiment system 11, 1.1. Overall configuration a, simulation data creation department, multi-jointed structure (space robot) C0 zero gravity simulator 1.1.2. Element parts a, constant tension suspension mechanism part ■, vertical movement mechanism a, suspension tension adjustment method.

口、吊り位置とジンバル、カウンタ バランサ バ、ワイヤ巻取り機構部 二、張力センサと制御装置の構成 す、水平面内の動作機構(吊りアーム)■1本体支持駆
動部など 1.1.:1.オフラインデータ作成法1.1.4.オ
ンラインデータに基づく協調制御動作 1.2゜オフライン無重力模擬実験システム■1.2.
1.全体構成 1.2.1要素部品 a、角度検出センサ ■、光学式角度検出センサ ■1分力検出センサ 1.2.3.制御動作 1.3.オンライン無重力模擬実験システム11.3.
1.全体構成 1.3.2.要素部品 a、ロボットベースの反作用検出機構 1.3.3.制御動作 1.4.オンライン無重力模擬実験システム■1.4.
1.全体構成 1、 L、 2.制御動作 2、吊り方式 2.19重心鉛直線上吊り方式 2.2.静力学的釣合い方式 2.3.折衷方式 3、吊りアームの制御 3.1吊り方向鉛直保持方式のアルゴリズム3.28巻
取り機構部による張カ一定制御3.2.1.トルク制御
方式■ a、全体構成 り、各要素の構成 C8制御方法 3.2.2. トルク制御方式■ a、全体構成 り、制御方法 3.2.3 トルク制御方式■ a、全体構成 り、制御方法 3.2.4 )ルク制御方式rv a、全体構成 り、制御方法 3.2.5 トルク制御方式■ a、全体構成 り、制御方法 3.2.6 トルク制御方式■ a、全体構成 り、制御方法 3.2.7.速度制御方式 %式% 3.3.制御回路の具体的構成 4、シミュレーション計算機システム 4.1.システム構成I 4.2.システム構成■ 発明の効果 [概要] 宇宙ロボットや大型衛星等の多関節構造体が無重力空間
で示す挙動を地上でハードウェア的に模擬する無重力模
擬実験装置などで用いられる張力一定吊り機構のモータ
制御装置に関し、巻取り式による簡潔な構成の張力一定
吊り機構用のモータ制御装置を提供することを目的とし
、 対象物体を巻取り機構から垂下した吊り線で吊り、巻取
り機構で吊り線を巻取り7巻戻しすることで吊り線の張
力を一定に維持する張力一定吊り機構において、吊り線
に掛かる張力を検出する張力センサと、その張力センサ
の検出出力に基づきその検出出力の変動分を減少させる
巻取り機構の駆動モータのトルク指令値を算出する制御
回路とを備え、トルク指令値を駆動モータに与えるよう
構成される。
Mouth, hanging position and gimbal, counterbalance server, wire winding mechanism part 2, tension sensor and control device, operating mechanism in horizontal plane (hanging arm) ■1 Main body support drive part, etc. 1.1. :1. Offline data creation method 1.1.4. Cooperative control operation based on online data 1.2゜Offline zero gravity simulation experiment system ■1.2.
1. Overall configuration 1.2.1 Element part a, angle detection sensor ■, optical angle detection sensor ■1 component force detection sensor 1.2.3. Control operation 1.3. Online zero-gravity simulation system 11.3.
1. Overall configuration 1.3.2. Element part a, robot-based reaction detection mechanism 1.3.3. Control operation 1.4. Online zero-gravity simulation system■1.4.
1. Overall configuration 1, L, 2. Control operation 2, hanging method 2.19 Center of gravity vertical hanging method 2.2. Static balance method 2.3. Compromise method 3, control of suspension arm 3.1 Algorithm for suspension direction vertical maintenance method 3.28 Constant tension control by winding mechanism section 3.2.1. Torque control method ■ a. Overall configuration, configuration of each element C8 Control method 3.2.2. Torque control method ■ a. Overall configuration, control method 3.2.3 Torque control method ■ a. Overall configuration, control method 3.2.4) Torque control method rv a. Overall configuration, control method 3.2 .5 Torque control method ■ a. Overall configuration, control method 3.2.6 Torque control method ■ a. Overall configuration, control method 3.2.7. Speed control method % type % 3.3. Specific configuration of control circuit 4, simulation computer system 4.1. System configuration I 4.2. System configuration ■ Effects of the invention [Summary] Motor control of a constant tension suspension mechanism used in zero gravity simulation experiment equipment, etc. that simulates the behavior of multi-jointed structures such as space robots and large satellites in zero gravity space on the ground using hardware. Regarding the device, the purpose of the present invention is to provide a motor control device for a constant tension suspension mechanism with a simple configuration using a winding mechanism. In the constant tension suspension mechanism, which maintains the tension of the hanging wire at a constant level by unwinding the hanging wire seven times, there is a tension sensor that detects the tension applied to the hanging wire, and the variation in the detected output is reduced based on the detected output of the tension sensor. and a control circuit that calculates a torque command value for the drive motor of the winding mechanism, and is configured to apply the torque command value to the drive motor.

[産業上の利用分野] 本発明は、宇宙ロボットや大型衛星等の多関節構造体が
無重力空間で示す挙動を地上環でハードウェア的に模擬
する無重力模擬実験装置などで用いられる張力一定吊り
機構のモータ制御装置に関するものである。
[Industrial Application Field] The present invention relates to a constant tension suspension mechanism used in a zero-gravity simulation experiment device, etc., which simulates the behavior of multi-jointed structures such as space robots and large satellites in zero-gravity space using a ring on the ground. The present invention relates to a motor control device.

゛ 無重力空間においては、例えばロボットがアームを
伸ばして物体を捕捉しようとする場合を考えると、アー
ムの伸長により系全体の重心が移動し、ロボット本体の
姿勢が変化し物体を捕捉できなくなる事態も生じ得る。
゛ In a zero-gravity space, for example, if a robot tries to capture an object by extending its arm, the extension of the arm shifts the center of gravity of the entire system, changing the posture of the robot body and causing it to be unable to capture the object. can occur.

また、捕捉時の衝撃の反作用も無視できなくなる。In addition, the reaction of the impact at the time of capture cannot be ignored.

このような無重力空間における予測しにくい挙動に対し
ては、地上の実験室においてハードウェア的に模擬実験
を直接行い得る環境を実現し、これによりセンサ系、ア
クチュエータ系、制御系等の性能を無重力空間に近い環
境で予め充分に評価できることが必要とされ、それによ
り信頼性の高いハードウェアの構成が可能となる。
To deal with such difficult-to-predict behavior in zero-gravity space, we have created an environment in which we can directly conduct simulation experiments using hardware in a laboratory on the ground. It is necessary to be able to perform sufficient evaluation in advance in an environment close to space, which enables highly reliable hardware configuration.

[従来の技術1 従来、多関節構造体の無重力空間における挙動を地上で
ハードウェア的に直接模擬する方式としては、次のよう
なものが考案、実施されてきた。
[Prior Art 1] Conventionally, the following methods have been devised and implemented as methods for directly simulating the behavior of multi-joint structures in zero-gravity space using hardware on the ground.

■空気浮上又は磁気浮上により定盤上で平面内での二次
元的な無重力動作を模擬する。
■Simulate two-dimensional weightless motion in a plane on a surface plate using air levitation or magnetic levitation.

■物体を水槽に入れ、浮力を利用して重力を補償し、三
次元的な無重力動作を模擬する。
■Put an object in a water tank, use buoyancy to compensate for gravity, and simulate three-dimensional weightless motion.

■航空機の弾道飛行を用いて無重力状態を作り、その中
で物体を動作させる。
■Creating a zero-gravity state using an aircraft's suborbital flight and moving objects within it.

上記■では物体の運動が二次元平面内に限定される、■
では粘性抵抗により動作時の模擬ができない、■では短
時間の模擬に限定される。という欠点がある。
In the above ■, the motion of the object is limited to a two-dimensional plane, ■
In case 2, it is not possible to simulate operation due to viscous resistance, and in case 2, simulation is limited to a short time. There is a drawback.

そこで、対象物体をワイヤで吊り、そのワイヤに掛ける
張力で対象物体の重力をキャンセルし、模擬的な無重力
状態を地上で作り出す方法が提案される。この方法では
対象物体をワイヤで常に一定の張力で吊ることが必要と
なる。
Therefore, a method has been proposed in which the object is suspended with a wire and the tension applied to the wire cancels out the object's gravity to create a simulated weightless state on the ground. This method requires that the object be suspended by a wire with constant tension.

この対象物体を吊る方式としては種々の方式が考えられ
、例えば第8図に示されるように、アームを風船で吊る
風船式、アームなブーりとカウンタバランサで吊るカウ
ンタバランス式、バネを用いてアームを吊ったワイヤを
ワイヤ巻胴に巻取り/繰出しする定荷重バネ式(コンス
トンバネ)、ワイヤ巻胴と巻取りモータを用いてアーム
を吊る巻取り式などがある。
Various methods can be considered for suspending the target object. For example, as shown in Figure 8, there is a balloon method in which the arm is suspended from a balloon, a counterbalance method in which the arm is suspended by a counterbalancer, and a counterbalance method in which the arm is suspended by a counter balancer. There are constant force spring types (Conston springs) in which a wire with a suspended arm is wound around a wire winding drum and unwinded, and a winding type in which the arm is suspended using a wire winding drum and a winding motor.

[発明が解決しようとする課題] 宇宙ロボットなどのような複雑な構造を持った多関節構
造体をワイヤで吊って無重力状態を模擬しようとする場
合、そのワイヤを吊り下げる機構は大規模になりがちで
ある。したがって多関節構造体などの無重力模擬実験装
置を実現するにあたっては、コンパクトな構成の張力一
定吊り機構が必要とされる。このためには、吊り下げ重
力の変化に対応しやすく小型、高精度化が狙える巻取り
方式が張力一定吊り機構に適している。
[Problem to be solved by the invention] When attempting to simulate weightlessness by suspending a multi-jointed structure with a complex structure, such as a space robot, using a wire, the mechanism for suspending the wire must be large-scale. It tends to be. Therefore, in order to realize a zero-gravity simulation experiment device such as a multi-jointed structure, a constant tension suspension mechanism with a compact configuration is required. For this purpose, a winding method that can easily respond to changes in the suspension gravity and aim for compactness and high precision is suitable for a constant tension suspension mechanism.

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その
目的とするところは、巻取り方式による張力一定吊り機
構に用いるモータ制御装置を提供することにあり、この
張力一定吊り機構のモータ制御装置を用いることによっ
て多関節構造体の無重力模擬実験装置の実現が可能にな
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to provide a motor control device for use in a constant tension suspension mechanism using a winding method. By using this, it becomes possible to realize a zero-gravity simulation experiment device for multi-jointed structures.

[課題を解決するための手段] 第1図は本発明に係る原理説明図である。[Means to solve the problem] FIG. 1 is a diagram explaining the principle of the present invention.

本発明に係る張力一定吊り機構のモータ制御装置は、第
1の形態とlして、第1図[A]、[B]に示されるよ
うに、対象物体101を巻取り機構102から垂下した
吊り線103で吊り、巻取り機構102で吊り線103
を巻取り7巻戻しすることで吊りi&線103の張力を
一定に維持する張力一定吊り機構において、吊り線10
3に掛かる張力を検出する張力センサ104と、張力セ
ンサ104の検出出力に基づきその検出出力の変動分を
減少させる巻取り機構102の駆動モータ105のトル
ク指令値を算出する制御回路106,109とを備え、
トルク指令値を駆動モータ105に与えるよう構成され
る。
In a first embodiment of the motor control device for a constant tension suspension mechanism according to the present invention, as shown in FIGS. 1 [A] and [B], a target object 101 is suspended from a winding mechanism 102. Suspended by hanging line 103, suspended by winding mechanism 102
In a constant tension hanging mechanism that maintains the tension of the hanging wire 103 constant by winding it up and unwinding it seven times, the hanging wire 10
3, and control circuits 106 and 109 that calculate a torque command value for the drive motor 105 of the winding mechanism 102 to reduce fluctuations in the detected output based on the detected output of the tension sensor 104. Equipped with
It is configured to give a torque command value to the drive motor 105.

本発明に係る張力一定吊り機構のモータ制御装置は、第
2の形態として、第1図[A]に示されるように、第1
の形態において、巻取り機構lO2の駆動モータ105
の回転始動時に、張力センサ104の検出出力に、吊り
機構で生μる静止摩擦を相殺するための静止摩擦オフセ
ットを付加する静止摩擦オフセット付加手段107を更
に備え、制御回路106は静止摩擦オフセットを付加し
た張力センサ104の検出出力に基づいてトルり指令値
を算出するように構成される。
As a second form of the motor control device for a constant tension suspension mechanism according to the present invention, as shown in FIG.
In the form of , the drive motor 105 of the winding mechanism lO2
The control circuit 106 further includes a static friction offset adding means 107 for adding a static friction offset to the detection output of the tension sensor 104 to offset the static friction generated by the suspension mechanism when the rotation starts. It is configured to calculate a torque command value based on the detection output of the added tension sensor 104.

本発明に係る張力一定吊り機構のモータ制御装置は、第
3の形態として、第1図[A]に示されるように、第1
または第2の形態において、駆動モータの回転時に、張
力センサ104の検出出力に、吊り機構で生じる動摩擦
を相殺するための動摩擦オフセットを付加する動摩擦オ
フセット付加手段108を更に備え、制御回路106は
動摩擦オフセットを付加した張力センサ104の検出出
力に基づいてトルク指令値を算出するように構成される
As a third form of the motor control device for a constant tension suspension mechanism according to the present invention, as shown in FIG.
Alternatively, in the second embodiment, the control circuit 106 further includes a dynamic friction offset adding means 108 that adds a dynamic friction offset to the detection output of the tension sensor 104 to offset the dynamic friction generated in the suspension mechanism when the drive motor rotates. The torque command value is calculated based on the detected output of the tension sensor 104 to which an offset has been added.

本発明に係る張力一定吊り機構のモータ制御装置は、第
4の形態として、第1図[B]に示されるように、第1
の形態において、巻取り機構102の駆動モータ105
の回転始動時に、制御回路109で算出されたトルク指
令値に、吊り機構で生じる静止摩擦を相殺するための静
止摩擦トルクオフセットを付加する静止摩擦トルクオフ
セット付加手段110を更に備え、静止摩擦トルクオフ
セットを付加したトルク指令値を駆動モータ105に与
えるように構成さ−れる。
As a fourth embodiment of the motor control device for a constant tension suspension mechanism according to the present invention, as shown in FIG.
In the configuration, the drive motor 105 of the winding mechanism 102
The device further includes a static friction torque offset adding means 110 for adding a static friction torque offset to the torque command value calculated by the control circuit 109 to offset the static friction generated in the suspension mechanism when the rotation starts. is configured to give a torque command value to the drive motor 105.

本発明に係る張力一定吊り機構のモータ制御装置は、第
5の形態として、第1図[B]に示されるように、第1
または第4の形態において、駆動モータ105の回転時
に、制御回路109で算出されたトルク指令値に、吊り
機構で生じる動摩擦を相殺するための動摩擦トルクオフ
セットを付加する動摩擦トルクオフセット付加手段11
1を更に備え、動摩擦トルクオフセットを付加したトル
ク指令値を駆動モータ105に与えるように構成される
As a fifth embodiment of the motor control device for a constant tension suspension mechanism according to the present invention, as shown in FIG.
Alternatively, in a fourth embodiment, dynamic friction torque offset adding means 11 adds a dynamic friction torque offset for offsetting dynamic friction generated in the suspension mechanism to the torque command value calculated by the control circuit 109 when the drive motor 105 rotates.
1, and is configured to give a torque command value to which a dynamic friction torque offset is added to the drive motor 105.

上記第3または第5の形態において、動摩擦に係わるオ
フセット値は駆動モータの回転速度に応じて変わる値と
することができる。
In the third or fifth embodiment, the offset value related to dynamic friction can be a value that changes depending on the rotational speed of the drive motor.

また本発明に係る張力一定吊り機構のモータ制御装置は
、第6の形態として、第1図[C]に示されるように、
対象物体101を巻取り機構102から垂下した吊り線
103で吊り、巻取り機構102で吊り線103を巻取
り7巻戻しすることで吊り線103に掛かる張力を一定
に維持する張力一定吊り機構において、吊り線103に
掛かる張力を検出する張力センサ104と、対象物体l
O1を吊る吊り線103の張力を一定にする対象物体1
01の上下速度を、張力センサ104からの検出出力の
変動分と対象物体101の質量から算出し、その算出さ
れた速度から巻取り機構102の駆動モータ105の回
転速度を求める回転速度計算手段112とを備え、この
回転速度計算手段112で求めた回転速度で駆動モータ
105を回転駆動するように構成される。
Further, as a sixth embodiment of the motor control device for a constant tension suspension mechanism according to the present invention, as shown in FIG. 1 [C],
In a constant tension suspension mechanism, a target object 101 is suspended by a hanging line 103 hanging from a winding mechanism 102, and the tension applied to the hanging line 103 is maintained constant by winding the hanging line 103 and unwinding it seven times by the winding mechanism 102. , a tension sensor 104 that detects the tension applied to the hanging wire 103, and a target object l.
Target object 1 that keeps the tension of the hanging wire 103 that hangs O1 constant
01 from the variation in the detection output from the tension sensor 104 and the mass of the target object 101, and calculates the rotation speed of the drive motor 105 of the winding mechanism 102 from the calculated speed. and is configured to rotate the drive motor 105 at the rotational speed determined by the rotational speed calculation means 112.

[作用] 第1の形態のモータ制御装置においては、制御回路10
6は張力センサ104からの検出出力に基づきトルク指
令値を発生し、そのトルク指令値で駆動モータ105を
駆動することで、吊り線103に掛かる張力の変動分を
減少させて一定張力に維持している。
[Operation] In the motor control device of the first form, the control circuit 10
6 generates a torque command value based on the detected output from the tension sensor 104, and drives the drive motor 105 with the torque command value to reduce fluctuations in the tension applied to the hanging wire 103 and maintain a constant tension. ing.

第2の形態のモータ制御装置においては、静止摩擦オフ
セット生成手段107で静止摩擦オフセットを発生し、
駆動モータ105が速度零から起動される時にはこの静
止摩擦オフセットを張力   □センサ104の検出出
力に付加することで、静止摩擦の影響を除去している。
In the second embodiment of the motor control device, the static friction offset generating means 107 generates a static friction offset;
When the drive motor 105 is started from zero speed, this static friction offset is added to the detection output of the tension sensor 104, thereby eliminating the influence of static friction.

第3の形態のモータ制御装置においては、動摩擦オフセ
ット生成手段108で動摩擦オフセットを発生し、駆動
モータ105が回転中にはこの動摩擦オフセットを張力
センサ104の検出出力に付加することで、動摩擦の影
響を除去している。
In the third embodiment of the motor control device, the dynamic friction offset generation means 108 generates a dynamic friction offset, and while the drive motor 105 is rotating, this dynamic friction offset is added to the detection output of the tension sensor 104, thereby controlling the influence of the dynamic friction. is being removed.

第4の形態のモータ制御装置においては、静止摩擦トル
クオフセット生成手段110で静止摩擦トルクオフセッ
トを発生し、駆動モータ105が速度零から起動される
時には、この静止摩擦トルクオフセットを制御回路10
9からのトルク指令値に付加することにより、静止摩擦
による影響を除去している。
In the motor control device of the fourth embodiment, a static friction torque offset is generated by the static friction torque offset generating means 110, and when the drive motor 105 is started from zero speed, the static friction torque offset is transferred to the control circuit 10.
By adding it to the torque command value from 9, the influence of static friction is removed.

第5の形態のモータ制御装置においては、動摩擦トルク
オフセット生成手段111で動摩擦トルクオフセットを
発生し、駆動モータ105が回転中にはこの動摩擦トル
クオフセットを制御回路109からのトルク指令値に付
加することにより、動摩擦による影響を除去している。
In the motor control device of the fifth embodiment, a dynamic friction torque offset is generated by the dynamic friction torque offset generating means 111, and this dynamic friction torque offset is added to the torque command value from the control circuit 109 while the drive motor 105 is rotating. This eliminates the effects of dynamic friction.

上述の動摩擦オフセットまたは動摩擦トルクオフセット
は駆動モータ105の回転速度に相応して変化させるこ
とで、より的確に動摩擦の影響の除去が可能となる。
By changing the above-described dynamic friction offset or dynamic friction torque offset in accordance with the rotational speed of the drive motor 105, it becomes possible to more accurately eliminate the influence of dynamic friction.

第6の形態のモータ制御装置においては、回転速度計算
手段112が巻取り機構の駆動モータ105の回転速度
を、張力センサ104からの検出出力の変動値と対象物
体101の質量から計算し、これを駆動モータ105に
回転速度指令値として与える。駆動モータ105はこの
指令された回転速度で回転することにより、吊り線] 
03に掛かる張力を目標値に維持できる。
In the motor control device of the sixth embodiment, the rotational speed calculation means 112 calculates the rotational speed of the drive motor 105 of the winding mechanism from the fluctuation value of the detection output from the tension sensor 104 and the mass of the target object 101. is given to the drive motor 105 as a rotational speed command value. By rotating the drive motor 105 at this commanded rotational speed, the suspension line]
The tension applied to 03 can be maintained at the target value.

(以下余白) [実施例] 本発明の実施例が図面を参照しつつ以下に説明される。(Margin below) [Example] Embodiments of the invention will be described below with reference to the drawings.

ここで、第1項では本発明の張力一定吊り機構のモータ
制御装置が応用される無重力模擬実験システムの基本方
式について述べ、第2項では同システムにおける吊り方
式について述べ、その後に第3項の3.2項において本
発明の実施例としての張力一定吊り機構のモータ制御装
置にって述べ、最後に第4項でシミュレーション計算機
システムの構成について述べる。
Here, Section 1 describes the basic method of a zero-gravity simulation system to which the motor control device for a constant tension suspension mechanism of the present invention is applied, Section 2 describes the suspension method in the same system, and then Section 3 describes the Section 3.2 describes a motor control device for a constant tension suspension mechanism as an embodiment of the present invention, and finally Section 4 describes the configuration of a simulation computer system.

1、無重力模擬実験システムの基本方式ここでは4つの
基本方式について述べる。
1. Basic methods of zero-gravity simulation system Here we will discuss four basic methods.

■、1.オフライン無重力無重力模擬実験システム1本
弦カ一定吊り機構とロボットによる支持駆動機構とを用
いたオフライン方式による無重力模擬実験システムであ
る。本方式では、対象である多関節構造体(宇宙ロボッ
ト等)を直接動かす前に、無重力状態下において受けた
外力に対しての多関節構造体の動きを専用のソフトウェ
アを使って予め計算しておき、計算により確認の取れた
動きに対して、それと全く同じ多関節構造体の動きをハ
ードウェア機構により地上において実現するものである
■、1. Offline Zero Gravity Zero Gravity Simulation Experiment System This is a zero gravity simulation experiment system using an offline method using a one-string constant suspension mechanism and a support drive mechanism using a robot. In this method, before directly moving the target multi-joint structure (space robot, etc.), the movement of the multi-joint structure in response to external forces received in zero gravity is calculated in advance using special software. The system uses a hardware mechanism to realize exactly the same movement of a multi-jointed structure on the ground based on the movement confirmed by calculation.

1.1.1.全体構成 本方式を実現するための無重力模擬実験システムの全体
の処理概要が第2図に示される。全体としてはシミュレ
ーションデータ作成部1と無重力模擬装置2と多関節構
造体3とからなり、無重力模擬装置2の機構部22と多
関節構造体3の機構部32を、シミュレーションデータ
作成部1のシミュレーションソフト部(運動解析ソフト
部)12で予め計算した値を用いて制御部21.31を
介して駆動する構成となっている。また、この第2図に
対応した全体のハードウェア概念が第3図に示される。
1.1.1. Overall Configuration The overall processing outline of the weightless simulation experiment system for realizing the present method is shown in FIG. The system as a whole consists of a simulation data creation section 1, a zero-gravity simulator 2, and a multi-joint structure 3. It is configured to be driven via a control section 21.31 using a value calculated in advance by a software section (motion analysis software section) 12. Further, the overall hardware concept corresponding to FIG. 2 is shown in FIG.

さらに、この無重力模擬実験システムの機構部全体の具
体的なハードウェア構成の斜視図が第4図に、その上面
図が第5図に、またその側面図が第6図にそれぞれ示さ
れる。
Further, a perspective view of the specific hardware configuration of the entire mechanical section of this zero-gravity simulation system is shown in FIG. 4, a top view thereof in FIG. 5, and a side view thereof in FIG. 6.

以下、これらの図に基づいてシミュレーションデータ作
成部1.無重力模擬装置2、および多関節構造体3の構
成を説明する。
Hereinafter, based on these figures, the simulation data creation section 1. The configurations of the zero gravity simulator 2 and the multi-joint structure 3 will be explained.

a、シミュレーションデータ作成部 シミュレーションデータ作成部1は、無重力模擬装置2
および多関節構造体3のハードウェア機構を動かすため
の基本データを作成する部分である。この部分は、多関
節構造体3の数学モデルを定義する多関節構造体数学モ
デル部11と、多関節構造体数字モデル11で定義され
た多関節構造体3の動きを解析する運動解析ソフト部1
2と、運動解析ソフト部12の出力結果をグラフィカル
に表示するシミュレーション表示ソフト部13と、運動
解析ソフト部12の出力結果を無重力模擬装置2用に変
換加工する無重力模擬装置用データソフト変換ソフト部
14からなる。
a. Simulation data creation unit The simulation data creation unit 1 includes a zero gravity simulator 2
and a part that creates basic data for operating the hardware mechanism of the multi-joint structure 3. This part consists of a multi-joint structure mathematical model section 11 that defines a mathematical model of the multi-joint structure 3, and a motion analysis software section that analyzes the movement of the multi-joint structure 3 defined by the multi-joint structure numerical model 11. 1
2, a simulation display software section 13 that graphically displays the output results of the motion analysis software section 12, and a data software conversion software section for zero gravity simulator that converts and processes the output results of the motion analysis software section 12 for the zero gravity simulator 2. Consisting of 14.

b、多関節構造体(宇宙ロボット) 多関節構造体3は多関節構造体制御部31と多関節構造
体機構部(ロボット本体)32とからなり、制御部31
はデータ変換ソフト部14が作成したデータを追従目標
値とするサーボ機構を構成している。ロボット本体32
は第4図に示されるように左右2本の各々6自由度の多
関節アーム303とその先端に取り付けられたハンド3
04、この多関節アーム303を固定する本305から
なり、ハンド304により対象物の捕捉動作などを行う
。多関節アーム303は宇宙への運搬しやすさを考慮し
て軽量化を指向し、長さ200〜bの細長いリンクを持
ち、曲げや埃りの剛性を小さくしたフレキシブルアーム
が用いられており、アーム全長は約1400mmである
。また宇宙における長寿命化を図るため、伝達部分がな
く接触部分を少なくできるダイレクトドライブ(以下D
Dと略す)モータとエンコーダを関節部に直結した構成
のDDアームとしている。第7図にはアームの関節構成
が示される。図中、■印の02、θ3.θ5は屈曲軸、
Φ印の01、C4、C6は回転軸である。無重力模擬実
験システムはこのように柔軟リンクとDDモータを用い
た多関節ア・−ム303を持つロボット機構の複雑な挙
動を模擬するものである。
b. Multi-joint structure (space robot) The multi-joint structure 3 consists of a multi-joint structure control section 31 and a multi-joint structure mechanism section (robot main body) 32.
constitutes a servo mechanism that uses the data created by the data conversion software section 14 as a follow-up target value. Robot body 32
As shown in FIG. 4, there are two articulated arms 303 on the left and right, each with 6 degrees of freedom, and a hand 3 attached to the tip of the arm 303.
04, it consists of a book 305 that fixes this multi-joint arm 303, and the hand 304 performs operations such as capturing objects. The multi-joint arm 303 is designed to be lightweight in consideration of ease of transportation to space, and is a flexible arm with long and thin links of 200 mm in length and with reduced rigidity against bending and dust. The total length of the arm is approximately 1400 mm. In addition, in order to extend the lifespan in space, we are developing a direct drive (hereinafter referred to as D), which has no transmission parts and fewer contact parts.
The DD arm has a structure in which a motor (abbreviated as D) and an encoder are directly connected to the joint. FIG. 7 shows the joint configuration of the arm. In the figure, 02, θ3, marked with ■. θ5 is the bending axis,
Φ marks 01, C4, and C6 are rotation axes. The zero-gravity simulation system thus simulates the complex behavior of a robot mechanism having an articulated arm 303 using flexible links and DD motors.

C9無重力模擬装置 無重力模擬装置2は無重力模擬制御部21と、無重力模
擬機構部22に分かれ、制御部21はデータ変換ソフト
部14が作成したデータを追従目標値とするサーボ機構
を構成している。
C9 Zero gravity simulator The zero gravity simulator 2 is divided into a zero gravity simulating control section 21 and a zero gravity simulating mechanism section 22, and the control section 21 constitutes a servo mechanism that uses data created by the data conversion software section 14 as a tracking target value. .

無重力模擬機構部22は、対象である多関節構造体3の
本体305を6自由度で支持し駆動する6自由度ロボッ
ト機構部208からなる本体支持駆動部202と、対象
のベース301以外の部分をワイヤ210により吊り下
げる張力一定吊り機構部201とからなる。多関節構造
体3は、ベース部分301とその他のアーム、パネル、
アンテナ等の部分302からなる。この時、多関節構造
体3のベース301は6自由度ロボット機構208によ
り支持され、その他の部分302は複数組の張力一定吊
り機構201により支持される。無重力模擬装置全体は
、機構全体を取り囲むように設置されたフレーム203
により支持される。
The zero-gravity simulation mechanism section 22 includes a main body support drive section 202 consisting of a 6-degree-of-freedom robot mechanism section 208 that supports and drives the main body 305 of the target multi-joint structure 3 with 6 degrees of freedom, and parts other than the target base 301. and a constant-tension suspension mechanism section 201 that suspends it by a wire 210. The multi-joint structure 3 includes a base portion 301 and other arms, panels,
It consists of a portion 302 such as an antenna. At this time, the base 301 of the multi-joint structure 3 is supported by a six-degree-of-freedom robot mechanism 208, and the other parts 302 are supported by a plurality of sets of constant-tension suspension mechanisms 201. The entire weightless simulator consists of a frame 203 installed to surround the entire mechanism.
Supported by

無重力模擬機構部22において、ロボット本体32の全
体を鉛直下方に吊り下げたワイヤ210で支持する場合
、ワイヤの本数が増し、機構や制御が複雑化する。そこ
で、ワイヤ210による吊り機構の負荷は第4図に示さ
れるようにアーム部分303のみとし、これを張力一定
吊り機構部201と称する。この吊り機構部201によ
りワイヤ210の張力をアーム303の重力と釣り合わ
せてアーム303の重力をキャンセルするよう、ワイヤ
210を鉛直方向に一定張力制御により動かす。
In the zero-gravity simulating mechanism section 22, when the entire robot body 32 is supported by wires 210 suspended vertically downward, the number of wires increases and the mechanism and control become complicated. Therefore, the load on the suspension mechanism by the wire 210 is limited to the arm portion 303 as shown in FIG. 4, and this is referred to as a constant tension suspension mechanism section 201. The wire 210 is moved in the vertical direction under constant tension control using the hanging mechanism section 201 to balance the tension of the wire 210 with the gravity of the arm 303 and cancel the gravity of the arm 303.

ロボット本体32の本部分301は6自由度のロボット
機構部208で支持し、かつ、吊り機構全体を水平面内
の2自由度で支持駆動する。これを本体支持駆動部20
2と称する。ワイヤ210の鉛直方向以外の動作(吊り
機構部201の水平面内の動作、ロボット本体32、本
体支持駆動部202の動作)はシミュレーションソフト
の計算結果に従って動かす。
The main portion 301 of the robot body 32 is supported by the robot mechanism section 208 with six degrees of freedom, and the entire suspension mechanism is supported and driven with two degrees of freedom in the horizontal plane. This is the main body support drive section 20
It is called 2. The movement of the wire 210 in a direction other than the vertical direction (the movement of the suspension mechanism section 201 in the horizontal plane, the movement of the robot main body 32, and the main body support drive section 202) is performed according to the calculation results of the simulation software.

1.1.2要素部品 この無重力模擬実験システムで用いられる主な要素部品
について以下に説明する。
1.1.2 Elemental Parts The main elemental parts used in this zero-gravity simulation system are explained below.

a、張力一定吊り機構 張力一定吊り機構部201は、複数本のワイヤの吊り下
げ位置を各々水平面内で動かす水平多関節形の2自由度
ロボット機構(吊りアーム)204と、この吊りアーム
204に搭載され複数本のワイヤの各々を巻き取り巻き
戻す巻胴や巻胴回転駆動部等からなるワイヤ巻取り機構
205と、この巻取り機構205の延長上に搭載されア
ーム302を吊り下げるワイヤ210にががる重力をキ
ャンセルするためのワイヤ210の張力を測定する弓長
カセンサ206と、ワイヤ210のアーム302側に接
続されアーム302の6自由度の動作とワイヤ210の
干渉を防止するジンバル207などから構成される。次
に、吊り機構部202の詳細について、ワイヤ210で
重力をキャンセルする鉛直方向への動作機構と、吊られ
るアーム302の動作に応じて吊り下げ位置を水平面内
で動作させる動作機構に分けて説明する。
a. Constant tension suspension mechanism The constant tension suspension mechanism section 201 includes a horizontal articulated two-degree-of-freedom robot mechanism (hanging arm) 204 that moves the hanging positions of multiple wires in a horizontal plane, and this hanging arm 204. A wire winding mechanism 205 is mounted on the wire winding mechanism 205 and includes a winding drum that winds and unwinds each of a plurality of wires, a winding drum rotation drive unit, etc., and a wire 210 that is mounted on an extension of this winding mechanism 205 and hangs an arm 302. It consists of a bow length sensor 206 that measures the tension of the wire 210 to cancel the gravitational pull, and a gimbal 207 that is connected to the arm 302 side of the wire 210 to prevent interference between the six degrees of freedom of the arm 302 and the wire 210. be done. Next, the details of the suspension mechanism section 202 will be explained by dividing it into a vertical movement mechanism that cancels gravity with the wire 210, and a movement mechanism that moves the hanging position in a horizontal plane according to the movement of the suspended arm 302. do.

■、鉛直方向の動作機構 無重力模擬機構部22のポイントである吊り張力調整方
式について説明した後、この実施例で採用した張力一定
吊り機構部201の構成要素技術となる吊り位置とジン
バル207、カウンタバランサ220、巻取り機構部2
05、張力センサ206について順次に述べる。
(2) Vertical movement mechanism After explaining the suspension tension adjustment method, which is the key point of the zero-gravity simulating mechanism section 22, we will explain the suspension position, gimbal 207, and counter, which are the component technologies of the constant tension suspension mechanism section 201 adopted in this example. Balancer 220, winding mechanism section 2
05, the tension sensor 206 will be sequentially described.

(イ)吊り張力調整方式 アーム302を吊って無重力を模擬する吊り張力調整方
式としては種々の方式が考えられ、例えば第8図に示さ
れるように、アームを風船で吊る風船式、アームをプー
リとカウンタバランサで吊るカウンタバランス式、バネ
を用いてアームを吊ったワイヤをワイヤ巻胴に巻取り/
繰出しする定荷重バネ式(コンストンバネ)、ワイヤ巻
胴と巻取りモータを用いてアームを吊る巻取り式などが
ある。
(B) Suspension tension adjustment method Various methods can be considered as a suspension tension adjustment method that suspends the arm 302 to simulate zero gravity. For example, as shown in FIG. Counterbalance type, suspended by a counterbalancer, using a spring to suspend the arm and winding the wire onto the wire winding drum/
There are constant force spring type (Conston spring) that pays out, and winding type that suspends the arm using a wire winding drum and winding motor.

このうち巻取り式はワイヤの巻胴、巻胴駆動装置となる
モータ、ワイヤの張力センサより成り、張力センサの出
力をモータにフィードバックして巻取り巻き戻し動作に
より張力を一定に保ち無重力を模擬するものである。こ
の方式は吊り下げ重量の変化に対応しゃすぐ小形、高精
度化が狙える利点があり1本発明ではこの巻取り方式を
採用している。
Among these, the winding type consists of a wire winding drum, a motor that drives the winding drum, and a wire tension sensor.The output of the tension sensor is fed back to the motor and the tension is kept constant through winding and unwinding operations, simulating zero gravity. It is something. This winding method is advantageous in that it can respond to changes in hanging weight and can be made smaller and more precise, and the present invention employs this winding method.

第9図には柔軟リンクの鉛直振動成分の対処方法が示さ
れる。[A]のバネ巻取り式は柔軟リンクの固有振動数
より1桁低いコイルバネで振動を吸収する方式であり、
[B]の巻取り式は巻取り系の帯域を柔軟リンクの固有
振動数より1桁高め、振動に合わせて巻取りを行う方式
である。巻取り式では任意プロフィルのアームの鉛直振
動入力に対しても張カ一定制御でワイヤの巻取り、巻戻
しを行うことにより無重力を模擬できる利点があり、本
実施例ではこの方式を採用している。
FIG. 9 shows how to deal with the vertical vibration component of the flexible link. The spring winding type [A] is a method that absorbs vibrations using a coil spring that is one order of magnitude lower than the natural frequency of the flexible link.
The winding method [B] is a method in which the band of the winding system is made one order of magnitude higher than the natural frequency of the flexible link, and winding is performed in accordance with the vibration. The winding type has the advantage that weightlessness can be simulated by winding and unwinding the wire with constant tension control even in response to the vertical vibration input of the arm of an arbitrary profile, and this example adopts this method. There is.

(ロ)、吊り位置とジンバル、カウンタバランサアーム
303の関節構成を示した第7図を参照するに、アーム
303の質量は(θ1+02)軸、(θ3+04)軸、
(θ5+06)軸め3箇所の関節部分に集中している。
(b) Referring to FIG. 7, which shows the hanging position, gimbal, and joint configuration of the counter balancer arm 303, the mass of the arm 303 is the (θ1+02) axis, the (θ3+04) axis,
(θ5+06) It is concentrated in the three joints around the axis.

アーム303の姿勢が変化すると、3箇所の質量の分布
状態が変化する。このアーム303をできるだけ少ない
本数のワイヤ210で支持できることが望ましい。−方
、柔軟なリンクの場合、リンク部分を集中的に吊ると張
力で柔軟なリンクが曲がり、アーム303の挙動に吊り
の影響が出てしまう。このため、本実施例では、アーム
を模式的に示した第10図において、(θ3+θ、)軸
、(θ5+06)軸の2箇所をワイヤ210で吊ること
とする。第1O図中、θ1は回転/屈曲軸を表わし、こ
のうちRはロータ、Sはステータである。なお(θ1+
02)軸は本305に支持され、本体支持駆動部202
で駆動される。
When the attitude of the arm 303 changes, the distribution state of the mass at the three locations changes. It is desirable that this arm 303 can be supported by as few wires 210 as possible. - On the other hand, in the case of a flexible link, if the link portion is hung intensively, the flexible link will bend due to tension, and the behavior of the arm 303 will be affected by the suspension. Therefore, in this embodiment, in FIG. 10, which schematically shows the arm, the arm is suspended at two locations, the (θ3+θ,) axis and the (θ5+06) axis, by wires 210. In FIG. 1O, θ1 represents a rotation/bending axis, R is a rotor, and S is a stator. Note that (θ1+
02) The shaft is supported by the book 305, and the main body support drive unit 202
is driven by.

さらに、両端に質点を持つ1本の柔軟リンクにおける吊
り下げ方式の力学的解析を行うと、リンクの姿勢変化や
曲げ振動があっても、両端を張カ一定で吊ることで近似
的に無重力を模擬できる条件の一例が判明する。この条
件は、両端の質量がリンク質量より十分大きく、リンク
の線密度が十分率さいことである。本実施例のアーム3
03の構成と吊り方式はこの条件に適合させている。
Furthermore, when performing a mechanical analysis of the suspension method for a single flexible link with mass points at both ends, it was found that even if the link's posture changes or bending vibration occurs, by hanging both ends with a constant tension, weightlessness can be approximated. An example of conditions that can be simulated is revealed. This condition is that the mass at both ends is sufficiently larger than the link mass, and the linear density of the link is sufficiently high. Arm 3 of this embodiment
The structure and hanging method of 03 are adapted to these conditions.

各々の箇所における重心以外の位置を各々1本ずつワイ
ヤ210で吊ると、重心までの距離と重力によりモーメ
ントを生じ、アームの挙動に重力の影響が出てしまう。
If one wire 210 is hung at each location other than the center of gravity, a moment will be generated due to the distance to the center of gravity and gravity, and the behavior of the arm will be affected by gravity.

これを防ぐため(θ3+04)軸、(θ5+06)軸の
重心位置を各々1本のワイヤ210で吊る。ところが各
々の重心は関節内部にあるので、その1点をワイヤ21
0で直接量ることはできない。そこで外側から間接的に
支持するため第11図のジンバル207を用いる。この
ジンバル207は中心即ち重心からの外側に向かって隣
接するψ2軸とψヶ軸、ψ7軸とψ8軸が互いに直交し
、その直交交点が吊り下げられる物体の重心と一致する
ように連結部材で連結することにより物体を回転自在に
支持する機構である。このジンバル207は、ψ7軸、
ψ2軸に玉軸受を用いて回転自由度に与え、ψ8軸はワ
イヤ自体の埃りの自由度で代用し、構造を簡単化してい
る。
To prevent this, the centers of gravity of the (θ3+04) and (θ5+06) axes are each suspended by one wire 210. However, since each center of gravity is inside the joint, one point is connected to the wire 21.
It cannot be measured directly at 0. Therefore, a gimbal 207 shown in FIG. 11 is used for indirect support from the outside. This gimbal 207 is a connecting member so that the ψ2 axis, the ψ3 axis, the ψ7 axis, and the ψ8 axis, which are adjacent to each other outward from the center, that is, the center of gravity, are orthogonal to each other, and their orthogonal points coincide with the center of gravity of the suspended object. It is a mechanism that rotatably supports objects by connecting them. This gimbal 207 has ψ7 axis,
Ball bearings are used for the ψ2 axis to provide rotational freedom, and the ψ8 axis is substituted with the freedom of the dust of the wire itself, simplifying the structure.

さらに、前述のように関節角が変わっても吊りさげ物体
の重心はジンバル中心の1点に固定する必要がある。例
えば第1 ’O図の(0,+04)軸の重心を固定する
には、S3、(R3+54 )、R1の3部材の重心に
、次の十分条件を要する。− ■θ4軸の回転によっても(θ3+04)軸全体の重心
を変えないため、R4の重心が04回転軸上にある。
Furthermore, as mentioned above, even if the joint angle changes, the center of gravity of the suspended object must be fixed at one point at the center of the gimbal. For example, to fix the center of gravity of the (0, +04) axis in Figure 1'O, the following sufficient conditions are required for the centers of gravity of the three members S3, (R3+54), and R1. - ■ Since the center of gravity of the entire (θ3+04) axis does not change even with the rotation of the θ4 axis, the center of gravity of R4 is on the 04 rotation axis.

■θ3軸屈曲によっても(θ3+04)軸全体の重心を
変えないため(R4+ 54 + Rs )の合成重心
と83の重心が共にθ、屈曲軸と04回転軸の交点上に
ある。
(2) Since the center of gravity of the entire (θ3+04) axis does not change even with θ3-axis bending, the composite center of gravity of (R4+54+Rs) and the center of gravity of 83 are both on the intersection of the θ-bending axis and the 04 rotation axis.

■の交点をジンバルで吊る。■、■を実現するため、第
12図に示されるように回転軸と屈曲軸にカウンタバラ
ンサを設ける。第12図は(θ3+04)軸についての
例であり、第12図中、220aは(θ4−05)間リ
ンクの半分長さ部分220Aのカウンタバランサ、22
0bは(θ2−03)間リンクの半分長さ部分220B
のカウンタバランサ、220cは220Cのカウンタバ
ランサ、220eは第4軸のロータR4の重心を04軸
上にとるためのカウンタバランサであり、屈曲軸θ3は
第3−軸のロータR1とステータS、からなり、回転軸
θ4は第4軸のロータR4とステータS3からなってい
る。
■Hang the intersection with a gimbal. In order to realize (1) and (2), counter balancers are provided on the rotating shaft and the bending shaft as shown in FIG. FIG. 12 is an example regarding the (θ3+04) axis, and in FIG. 12, 220a is a counter balancer of the half-length portion 220A of the (θ4-05) link;
0b is the half length part 220B of the link between (θ2-03)
220c is a counter balancer for 220C, 220e is a counter balancer for setting the center of gravity of rotor R4 of the 4th axis on the 04 axis, and the bending axis θ3 is from the rotor R1 of the 3rd axis and the stator S. Thus, the rotation axis θ4 is composed of a fourth shaft rotor R4 and a stator S3.

アーム先端の(θ5+06)軸にも同様にカウンタバラ
ンサを設ける。隣接する2軸の交点は第12図のように
屈曲軸上にある。これは次の点でも有利である。
A counter balancer is similarly provided on the (θ5+06) axis at the tip of the arm. The intersection of two adjacent axes is on the bending axis as shown in FIG. This is also advantageous in the following respects.

■ロータ軸がジンバルの連結部材と共用できるので機構
が簡単になる。
■The rotor shaft can be shared with the gimbal connecting member, simplifying the mechanism.

■カウンタバランサとジンバルの干渉が少なく、動作範
囲を大きくとれる。
■There is less interference between the counter balancer and gimbal, allowing for a wider operating range.

■制御やシミュレーションソフトで吊り位置が計算しや
すい。
■The hanging position can be easily calculated using control and simulation software.

(ハ)ワイヤ巻取り機構部 巻取り機構部205はアームの上下動作に応じて、ワイ
ヤを巻胴に多数回巻く必要がある。この場合、単に巻胴
軸を中心として回転駆動するとワイヤが巻胴の一箇所に
重なって山のように巻きつく。ワイヤ間で滑りを生じて
山が崩れると動作が不連続で不安定となり、ワイヤも切
れやすい。したがってワイヤは互いに接触しないピッチ
で、巻胴上に一層で巻く必要がある。第13図にはこの
ための巻取り機構が示される。
(C) Wire Winding Mechanism The winding mechanism 205 needs to wind the wire around the winding drum many times in response to the vertical movement of the arm. In this case, if the winding drum is simply driven to rotate around the winding drum axis, the wires will overlap at one point on the winding drum and wind up like a mountain. If slippage occurs between the wires and the mountain collapses, the movement becomes discontinuous and unstable, and the wires are also likely to break. Therefore, the wires must be wound in a single layer on the winding drum at pitches that do not touch each other. FIG. 13 shows a winding mechanism for this purpose.

第13図は、後述の張力センサ206を含む巻取り機構
部205の正面図、第14図はこれをA方向から見た側
面図、第15図はこれをB方向から見た上面図である。
FIG. 13 is a front view of the winding mechanism section 205 including a tension sensor 206, which will be described later. FIG. 14 is a side view of this as seen from direction A, and FIG. 15 is a top view of this as seen from direction B. .

図中、230は減速機付DCモータ、240はモータ取
付板、231はモータ230の回転をボールスプライン
232に伝達する軸継手、241はボールスプライン2
32の支持用軸受、232はモータ230の回軸で巻胴
235を回軸させると共に巻胴の回転軸方向に動作自由
度を与えるボールスプライン、233はボールスプライ
ンナツト、234はボールスプライン軸、235はワイ
ヤ210を巻取り7巻戻しする巻胴、236は軸受取付
板、237は巻胴236の軸方向の動きを規制する突起
付ガイドローラ、238はガイドローラ支持軸、239
はガイドローラ用軸受である。
In the figure, 230 is a DC motor with a reducer, 240 is a motor mounting plate, 231 is a shaft coupling that transmits the rotation of the motor 230 to the ball spline 232, and 241 is the ball spline 2.
32 is a support bearing, 232 is a ball spline that rotates the winding drum 235 with the rotation shaft of the motor 230 and provides a degree of freedom of movement in the direction of the rotational axis of the winding drum, 233 is a ball spline nut, 234 is a ball spline shaft, 235 236 is a bearing mounting plate; 237 is a guide roller with a protrusion that regulates the axial movement of the winding cylinder 236; 238 is a guide roller support shaft; 239
is a guide roller bearing.

巻胴235にはワイヤ210の直径の1.5倍の螺旋状
の溝が設けられる。巻胴235の内側にはボールスプラ
イン232を取り付け、巻胴235をモータ230で回
転駆動しつつ巻胴235の1方向に動作自由度を与える
。巻胴235の溝に係合する突起部を持つガイドローラ
237を巻取り機構部205のフレームに固定する。こ
れにより、巻胴235は回転しながらその溝に係合する
ガイドローラ237に案内されて巻取り7巻戻しに応じ
て軸方向を右/左゛に動くことになり、したがってワイ
ヤ210の巻取り位置は固定されたままで巻胴235の
溝に一層で螺旋状にワ、イヤを巻き取れる。
The winding drum 235 is provided with a spiral groove 1.5 times the diameter of the wire 210. A ball spline 232 is attached to the inside of the winding drum 235, and while the winding drum 235 is rotationally driven by a motor 230, the winding drum 235 is given a degree of freedom of movement in one direction. A guide roller 237 having a protrusion that engages with a groove in the winding drum 235 is fixed to the frame of the winding mechanism section 205. As a result, the winding drum 235 rotates and is guided by the guide roller 237 that engages with the groove thereof, and moves in the axial direction to the right/left according to the winding and unwinding of the wire 210. The wire can be wound spirally in a single layer in the groove of the winding drum 235 while the position remains fixed.

(ニ)張力センサと制御装置の構成 ワイヤ210にかかる張力を検出する方式としては、例
えば第16図に示されるような種々の方式がある。すな
わち、モータの電流を検出しモータ出力トルクを算出す
る電流センサ方式(第2図A)、減速機出力軸にトルク
センサを取り付けるトルクセンサ方式(第2図B)、ワ
イヤの途中に装置したロードセルで検出するロードセル
方式(第2図C)、ワイヤガイドのブーり支柱に貼った
歪ゲージで検出する歪ゲージ方式(第2図D)などであ
る。
(d) Structure of Tension Sensor and Control Device There are various methods for detecting the tension applied to the wire 210, such as those shown in FIG. 16, for example. In other words, the current sensor method detects the motor current and calculates the motor output torque (Fig. 2A), the torque sensor method attaches a torque sensor to the output shaft of the reducer (Fig. 2B), and the load cell is installed in the middle of the wire. These include the load cell method (Fig. 2C), which detects the load with a wire guide, and the strain gauge method (Fig. 2D), which uses a strain gauge attached to the wire guide bobbin support.

本実施例ではこれらのワイヤ張力の検出方式のうちで、
張力を安定に測れる利点のある歪ゲージ方式を用いてい
る。構成としては、巻取り機構部205の下部に、第1
3図および第17図に示されるように、ワイヤ巻取り位
置の鉛直下方に2個のローラ250.251を設け、そ
れらの間に、それらのローラ250.251の支持軸の
鉛直線から外れた位置に支持軸を持つ段違いの第3のロ
ーラ252を設ける。この段違いローラ252を板バネ
253で支持し、4枚の歪ゲージ254を板バネ253
に張り付けて差動出力をとる。
In this example, among these wire tension detection methods,
A strain gauge method is used, which has the advantage of being able to measure tension stably. As for the structure, a first
As shown in FIG. 3 and FIG. 17, two rollers 250, 251 are provided vertically below the wire winding position, and between them there is a A third roller 252 having a support shaft at a different level is provided. This uneven roller 252 is supported by a plate spring 253, and four strain gauges 254 are supported by the plate spring 253.
to obtain differential output.

このように構成すると、ワイヤ210を段違いローラ2
52に巻きつけて吊り下げれば、この段違いローラ25
2により張力の水平方向分力を作り出すことができ、こ
の水平方向分力Pは、張力をT、ワイヤ210が鉛直線
となす角をθとすると、 T=P/2sin  θ により求まる。段違いローラ252を支持する平行板バ
ネ253の歪み量は弾性変形範囲内では水平方向分力P
に比例するため、歪み量を平行板バネ253に表裏2枚
ずつ4枚貼り付けた歪みゲージ254で検出することに
よって、ワイヤの張力Tを検出することができる。
With this configuration, the wire 210 is connected to the uneven roller 2.
If you wrap it around 52 and hang it, this uneven roller 25
2 can create a horizontal component of tension, and this horizontal component P can be found as follows: T=P/2sin θ, where T is the tension and θ is the angle that the wire 210 makes with the vertical line. The amount of strain of the parallel plate spring 253 that supports the uneven roller 252 is equal to the horizontal component force P within the range of elastic deformation.
Therefore, the tension T of the wire can be detected by detecting the amount of strain with four strain gauges 254 attached to the parallel plate spring 253, two on the front and the back.

アーム関節部の重力により生じるこの張力センサの出力
を、ワイヤ巻取り機構部205の回転駆動用モータ23
0にフィードバックすれば、張カ一定制御の巻取り7巻
戻し動作が得られる。
The output of this tension sensor generated by the gravity of the arm joint is transmitted to the rotational drive motor 23 of the wire winding mechanism section 205.
By feeding back to 0, winding and unwinding operations with constant tension control can be obtained.

b、水平面内の動作機構(吊りアーム)2本のアームの
ワイヤを、吊り位置を射影する水平面内でアームの動作
に応じて2次元に動かす。屈曲軸とこれに隣接する直進
軸を関節構成の一単位としてこれを複数段接続した水平
多関節形の関節構成とする。
b. Movement mechanism in the horizontal plane (hanging arm) The wires of the two arms are moved two-dimensionally in accordance with the movement of the arms in the horizontal plane that projects the hanging position. The bending axis and the adjacent linear axis are one unit of the joint configuration, and these are connected in multiple stages to form a horizontal multi-joint type joint configuration.

具体的には、第18図に示されるように、1本のアーム
に対応して直進2軸と屈曲軸2軸の4自由度を持つ吊り
アームとする。直進軸dよ、のテーブル上に次段の屈曲
軸φ2を搭載する。また、直進軸d0とd5□のテーブ
ルに前述の巻取り機構部205を搭載する。アームが鉛
直下方に大きく立ち上がった場合、2個のテーブルを互
いに近付けてワイヤ間の距離を小さくし、アームの動作
に追従させる。この吊りアーム201全体は後述の本支
持駆動部202にφ1軸で接続する。本体支持駆動部2
02が本301を水平面内で直進または回転動作させる
時、吊りアーム全体も同時に水平面内でアームと平行に
動作する。本体支持駆動部202がベース301を鉛直
方向に動かす時。
Specifically, as shown in FIG. 18, each arm is a hanging arm having four degrees of freedom: two straight axes and two bending axes. The next bending shaft φ2 is mounted on the table of the straight shaft d. Further, the above-mentioned winding mechanism section 205 is mounted on the table of the linear axes d0 and d5□. When the arm rises vertically downward, the two tables are moved closer to each other to reduce the distance between the wires and follow the movement of the arm. The entire suspension arm 201 is connected to a book support drive unit 202, which will be described later, through a φ1 axis. Main body support drive section 2
When 02 moves the book 301 in a straight line or rotation in a horizontal plane, the entire hanging arm also moves parallel to the arm in a horizontal plane. When the main body support drive section 202 moves the base 301 in the vertical direction.

吊りアーム201は動作せず一定の高さを保つ。The hanging arm 201 does not move and maintains a constant height.

吊りアーム201の屈曲動作には減速機付DCモータを
用い、直進時にはDCモータとボールネジ、直進ガイド
を用いる。動作の検出は光学式ロークリエンコーダで行
い、モータをサーボ制御する。
A DC motor with a speed reducer is used for bending the hanging arm 201, and a DC motor, a ball screw, and a straight guide are used for straight movement. Motion detection is performed using an optical low-return encoder, and the motor is servo controlled.

■0本本支持駆動部ど 本体支持駆動部202は本体301の位置と姿勢を任意
にとるよう動かす装置であり、これ自体で6自由度のロ
ボット機構部(d ax、 d BY、dsz、α、β
、γ)とも見なせる。第210図に示されるように位置
3自由度についてはclax、dsv、de□軸の直交
座標形ロボットとする二day、da□軸では両端固定
の軸上なテーブルが水平面内で直進するのに対して、d
BX軸では固定したテーブル中を軸が貫通し鉛直方向に
直進する。
■0-piece support drive unit etc. The main body support drive unit 202 is a device that moves the main body 301 to take any position and posture, and it itself has six degrees of freedom (d ax, d BY, dsz, α, β
, γ). As shown in Fig. 210, for the three degrees of freedom in position, the robot is in Cartesian coordinates with clax, dsv, and de □ axes. On the other hand, d
In the BX axis, the shaft passes through a fixed table and moves straight in the vertical direction.

姿勢については互いに直交する回転と屈曲の3自由度α
、β、γ軸を直列に並べる。α軸はdsv軸のテーブル
に搭載してdsx軸全軸合体転させる。α軸とdsz軸
の間に吊りアームのφ、軸を接続する。駆動機構として
は直進動作にはモータとボールネジ、直進ガイドを用い
る。直進3軸共に移動距離が長いのでボールネジ軸回転
では危険速度が低下し、振動、騒音が起きやすい。これ
を防ぐためボールネジはネジ軸を固定しナツト回転で用
いる。回転、屈曲動作には減速機付モータを用いる。特
にα軸ではロボット本体と吊りアームを同期して回転さ
せねばならず大形回転機構となる。d ax軸のテーブ
ル全体を大歯車で囲み、これに減速機付モータの出力を
小歯車で伝達する。これによりαの回転軸をdsxと一
致させ、大形でも単純な機構とする。動作検出は光学式
ロークリエンコーダで行い、モータをサーボ制御する。
Regarding posture, there are three degrees of freedom α, rotation and bending, which are orthogonal to each other.
, β, and γ axes are arranged in series. The α-axis is mounted on the dsv-axis table and all dsx-axes are rotated together. Connect the φ and axis of the hanging arm between the α axis and the dsz axis. The drive mechanism uses a motor, ball screw, and linear guide for linear movement. Since the travel distance for all three linear axes is long, the critical speed decreases when the ball screw shaft rotates, and vibration and noise are likely to occur. To prevent this, ball screws are used by fixing the screw shaft and rotating it with a nut. A motor with a speed reducer is used for rotation and bending operations. In particular, on the α-axis, the robot body and hanging arm must be rotated in synchronization, resulting in a large rotation mechanism. The entire table of the d and ax axes is surrounded by large gears, and the output of the motor with a reduction gear is transmitted to this using small gears. This makes the rotation axis of α coincide with dsx, making the mechanism simple even if it is large. Motion detection is performed using an optical low-return encoder, and the motor is servo controlled.

本体支持駆動部202、吊り機構201、ロボット本体
32は大形、大重量となるが、高い位置決め再現性を得
る必要がある。そこで、フレーム203としては剛性が
高(、作動する全域で安定した精度が得られる門形フレ
ーム203に直進ガイドを取り付けたものとする。ボー
ルネジ軸もこのフレーム203に固定し、フレーム20
3を補強する構造体となる。なお、吊りアーム部201
とアーム部302は片持梁構成である。その先端をフレ
ーム203の外に突出させればα、dBz軸の動作領域
が増す。そこで、吊りアーム部201とアーム部302
はフレームの横桁をくぐって突き出るまで動作可能とし
ている。
Although the main body support drive section 202, the suspension mechanism 201, and the robot main body 32 are large and heavy, it is necessary to obtain high positioning reproducibility. Therefore, a linear guide is attached to the frame 203, which has high rigidity (and can provide stable accuracy over the entire operating range).The ball screw shaft is also fixed to this frame 203, and the frame 203
It becomes a structure that reinforces 3. In addition, the hanging arm part 201
The arm portion 302 has a cantilever structure. If the tip thereof is made to protrude outside the frame 203, the operating range in the α and dBz axes increases. Therefore, the hanging arm part 201 and the arm part 302
is operable until it passes through the crossbeam of the frame and protrudes.

第20図には機構部全体の自由度構成が示される。図示
のように無重力模擬機構部22は、宇宙ロボットの本部
分301を支持する6自由度ロボット機構部(d ax
、 dlv−d sz、 a、β、γ)と4組の張力一
定吊り機構201からなる。4本のワイヤ210は水平
に伸びた4自由度のアーム2本([φR1、dsR+、
φ8□、daxzl、[φ1、dsL+、 φL2、d
sLzl)により支持され、ワイヤー本につき2自由度
のロボット機構部が対応する勘定となる。モータによる
駆動部分の自由度数はロボット本体32が12、吊り機
構部201が12、本体支持駆動部202が6であり、
合計で30自由度である。
FIG. 20 shows the degree of freedom configuration of the entire mechanical section. As shown in the figure, the zero-gravity simulating mechanism section 22 is a six-degree-of-freedom robot mechanism section (dax
, dlv-d sz, a, β, γ) and four sets of constant tension suspension mechanisms 201. The four wires 210 have two arms with four degrees of freedom extending horizontally ([φR1, dsR+,
φ8□, daxzl, [φ1, dsL+, φL2, d
sLzl), and a robot mechanism with two degrees of freedom per wire book corresponds to the account. The degrees of freedom of the parts driven by the motor are 12 for the robot main body 32, 12 for the suspension mechanism section 201, and 6 for the main body support drive section 202.
There are 30 degrees of freedom in total.

1.1.3.オフラインデータ作成注 水実施例に基づいたオフラインデータの作成法について
述べる。
1.1.3. Offline data creation A method for creating offline data based on the water injection example will be described.

多関節構造体数学モデルll内には第20図のロボット
本体32に対応するモデルが構築されている。モデル構
築にあたっては、全体の関節構成、リンクの長さ、各リ
ンクおよび関節の質量、慣性モーメント、重心位置を指
定する必要がある。
A model corresponding to the robot body 32 shown in FIG. 20 is constructed in the multi-joint structure mathematical model ll. When constructing a model, it is necessary to specify the overall joint configuration, link length, mass of each link and joint, moment of inertia, and center of gravity position.

運動解析ソフト12では、定義された数学モデルの関節
角度、関節角速度、慣性系から見た吊り位置の3次元座
標値およびその速度等の時系列が計算される。第21図
にはこの運動解析ソフトへの入出力が示される。図示の
ように、入力は、多関節構造体数学モデルとして、■全
体の関節構成、■各リンクの長さ、■各リンクおよび関
節の質量、慣性モーメント、■各リンクおよび関節の重
心位置が、また多関節構造体初期値として、■本重心位
置および姿勢角の初期値、■本重心位置の微分および姿
勢角の微分の初期値、■各関節角およびその微分の初期
値、■各間節トルクの時系列である。また出力時系列は
、■本重心位置、姿勢角およびそれらの微分の時系列、
■各関節角およびその微分の時系列、■多関節構造体セ
ンサポイントの座標値およびその微分の時系列である。
The motion analysis software 12 calculates time series of joint angles, joint angular velocities, three-dimensional coordinate values of the suspension position viewed from the inertial system, and their velocities, etc. of the defined mathematical model. FIG. 21 shows the input and output to this motion analysis software. As shown in the figure, the input is a mathematical model of a multi-joint structure, which includes ■the overall joint configuration, ■the length of each link, ■the mass and moment of inertia of each link and joint, and ■the position of the center of gravity of each link and joint. In addition, as the initial values of the multi-jointed structure, ■ initial values of the main center of gravity position and posture angle, ■ initial values of the differential of the main center of gravity position and differential of the posture angle, ■ initial values of each joint angle and its derivative, ■ each interjoint. This is a time series of torque. In addition, the output time series is: ■ Time series of main center of gravity position, attitude angle, and their derivatives,
■Time series of each joint angle and its derivative; ■Time series of coordinate values of multi-joint structure sensor points and their derivatives.

シミュレーション表示ソフト13では、それらの出力結
果をグラフ表示し、最大値および最小値を求めて計算値
が有効範囲にあるか否かのチエツクを自動的に行い、有
効範囲を飛び出すような計算値に対してはそれをワーニ
ングの形で利用者に知らせるようにしている。
The simulation display software 13 displays the output results in graphs, calculates the maximum and minimum values, automatically checks whether the calculated values are within the valid range, and avoids calculating values that are outside the valid range. In such cases, the user is notified of this in the form of a warning.

無重力模擬装置用データ変換ソフト14では、運動解析
ソフト12が算出する多関節構造体3の本301の重心
の位置と姿勢の時系列を無重力模擬装置2の6自由度ロ
ボット機構部(dax、daマ、da□、a、β、γ)
の時系列に変換し、また、4本のワイヤ210に対する
吊り位置と速度の3次元時系列を2本の吊りアーム([
φRI。
The zero-gravity simulator data conversion software 14 converts the time series of the position and posture of the center of gravity of the book 301 of the multi-jointed structure 3 calculated by the motion analysis software 12 into the six-degree-of-freedom robot mechanism (dax, da) of the zero-gravity simulator 2. ma, da□, a, β, γ)
In addition, the three-dimensional time series of the hanging positions and speeds for the four wires 210 are converted into the time series of the two hanging arms ([
φRI.

dllR1% φ0、d、、、]、[φL1、d II
L+、φL2、D 8L□])の各関節角度と角速度の
時系列に変換する。2本の吊りアームに対する関節角デ
ータは、多関節構造体3の動きに追従して常にワイヤ2
10が鉛直を保つように作成される。具体的には、吊り
機構201の4つの吊り下げポイント(T * +、T
R2、T R3、“T、、)がそれぞれの吊り位置(θ
R3、θR5、θL3、θLli)の鉛直線上に来るよ
うに逆キネマテックスを解(。
dllR1% φ0, d, , ], [φL1, d II
L+, φL2, D8L□]) is converted into a time series of each joint angle and angular velocity. The joint angle data for the two hanging arms always follow the movement of the multi-joint structure 3 and
10 is created so that it remains vertical. Specifically, the four hanging points (T*+, T
R2, T R3, “T,,” are the respective hanging positions (θ
Solve the inverse kinematics so that it lies on the vertical line of R3, θR5, θL3, θLli).

1.1.4オフラインデータに基づく協調制御動作第2
2図は第2図から特に制御系を中心に切り出して図示し
たものである。図示のように各制御部21.31は通信
制御、コマンド解釈・選択、サーボ制御の機能を持ち、
PIO(パラレル入出力)等の通信により同期制御され
る。
1.1.4 Cooperative control operation 2nd based on offline data
FIG. 2 is a diagram cut out from FIG. 2 with a focus on the control system in particular. As shown in the figure, each control unit 21.31 has the functions of communication control, command interpretation/selection, and servo control.
Synchronous control is performed by communication such as PIO (parallel input/output).

上述のオフラインデータ作成法に基づき作成された多関
節構造体3および無重力模擬装置2の各関節角データ時
系列は、−旦、第22図の制御部31.21のメモリ上
に蓄えられる。二つの制御部31.21は、互いにPI
O等の通信を通じてタイミングを取りながら蓄えられた
データを目標値とするサーボ追従制御をそれぞれの機構
部32.22に対して行う。各機構部32.22は制御
部31.21の制御下に協調動作して吊りワイヤ210
を鉛直に保つよう動作する。第22図かられかる通り、
本方式は運動解析ソフト12と無重力模擬装置用データ
変換ソフト14が算出するデータを目標値として、吊り
゛ワイヤをフィードフォワード的に鉛直保持するサーボ
機構といえる。
The joint angle data time series of the multi-joint structure 3 and the zero-gravity simulator 2 created based on the offline data creation method described above are stored on the memory of the control unit 31.21 in FIG. The two control units 31.21 each have a PI
Servo follow-up control is performed on each mechanism section 32.22 using the stored data as a target value while taking timing through communication such as O. Each mechanism part 32.22 cooperates under the control of the control part 31.21 to extend the suspension wire 210.
It works to keep it vertical. As shown in Figure 22,
This system can be said to be a servo mechanism that holds the suspension wire vertically in a feedforward manner using the data calculated by the motion analysis software 12 and the zero gravity simulator data conversion software 14 as target values.

また張力一定吊り機構部201のワイヤ巻取り機構20
5は、後に詳しく述べるように、ワイヤ302の重力を
キャンセルして模擬的な無重力状態を実現するよう、ワ
イヤ210を巻取り7巻戻ししてワイヤ210にかかる
張力を常に一定に保持する。
Also, the wire winding mechanism 20 of the constant tension hanging mechanism section 201
5, to cancel the gravity of the wire 302 and realize a simulated weightless state, the wire 210 is wound and unwound seven times to keep the tension applied to the wire 210 constant.

1.2.オフライン無重力模擬実験システム■本方式は
、張力一定吊り方式とロボットによる支持駆動とを用い
たオフライン無重力実験システムにおいて、角度検出セ
ンサによるフィードバックループを設けることにより吊
りアームの追従性を改良したものである。
1.2. Off-line zero-gravity simulation system ■This method is an offline zero-gravity experimental system that uses a constant tension suspension method and support drive by a robot, and improves the followability of the suspension arm by providing a feedback loop using an angle detection sensor. .

前述のオフライン無重力模擬実験システムIはあらかじ
めソフトウェアシミュレータ1が作成したデータに添っ
て多関節構造体3.2自由度ロボット機構部204.6
自由度ロボット機構部208をサーボ制御する方式であ
る。この方式ではサーボ制御するための目標軌道がソフ
トウェアシミュレータ上に構築されたソフトウェアモデ
ルに準拠して作成されているため、モデルが不正確であ
るとワイヤ210の傾き等を招き、完全な重力補償を損
なう場合がある。ここで提案する方式は、これを補償す
るために角度検出センサを各ワイヤ210を支える根本
部分に取り付け、このセンサが検出するワイヤ210の
傾きをワイヤ210を吊っている2自由度ロボット機構
204にフィードバラ′りさせて局部的な位置制御を行
い、ワイヤ210の鉛直保持性を向上させるものである
The offline zero-gravity simulation system I described above consists of a multi-joint structure 3, a two-degree-of-freedom robot mechanism section 204.6, and a multi-joint structure 3.
This is a method in which the degree-of-freedom robot mechanism section 208 is servo controlled. In this method, the target trajectory for servo control is created based on a software model built on a software simulator, so if the model is inaccurate, it may cause the wire 210 to tilt, and complete gravity compensation may not be possible. It may be damaged. In order to compensate for this, the method proposed here attaches an angle detection sensor to the base supporting each wire 210, and transmits the inclination of the wire 210 detected by this sensor to the two-degree-of-freedom robot mechanism 204 suspending the wire 210. This is to perform local position control by varying the feed, thereby improving the vertical holding ability of the wire 210.

1.2.1.全体構成 第23図にはオフライン無重力模擬実験システム■の処
理概要が示される。前述のシステムIとの相違は、無重
力模擬制御部21に角度検出センサを設けてローカルな
フィードバック制御を挿入している点である。
1.2.1. Overall configuration FIG. 23 shows an outline of the processing of the offline zero-gravity simulation experiment system (2). The difference from the above-mentioned system I is that the zero gravity simulation control section 21 is provided with an angle detection sensor and local feedback control is inserted.

1.2.2.要素部品 このオフライン無重力模擬実験システム■で新たに用い
る要素部品について説明する。
1.2.2. Elemental parts We will explain the new elemental parts used in this offline zero-gravity simulation system ■.

a、角度検出センサ 吊りワイヤ210の傾きを検出する角度検出センサとし
て、光学式角度検出センサと分力検出センサの二つの例
について説明する。
a. Angle detection sensor Two examples of angle detection sensors that detect the inclination of the hanging wire 210 will be described: an optical angle detection sensor and a component force detection sensor.

1、光学式角度検出センサ 第24図は光学式角度検出センサの原理を説明したもの
である。図示のように、アーム302を回転自在に保持
するジンバル207をワイヤ21Oで吊り、ジンバル2
07上にはジンバルの回転がワイヤ210に伝わらない
ように玉軸受を設ける。ジンバル207を吊るワイヤ2
10の取付は位置にはできるだけその位置に接近させて
LED等の発光体331を配置する。ワイヤ210の吊
りアーム側取付は位置には発光体331の位置を検出す
るための2次元受光体332、例えばCOD、PSD 
(位置検出デバイス)、あるいはカメラ等を配置する。
1. Optical angle detection sensor FIG. 24 explains the principle of an optical angle detection sensor. As shown in the figure, the gimbal 207 that rotatably holds the arm 302 is suspended by a wire 21O, and the gimbal 207
A ball bearing is provided on the wire 210 so that the rotation of the gimbal is not transmitted to the wire 210. Wire 2 for hanging gimbal 207
10, a light emitter 331 such as an LED is placed as close to the position as possible. The wire 210 is attached to the hanging arm side at a position where a two-dimensional photoreceptor 332 for detecting the position of the light emitter 331, such as COD, PSD, etc.
(position detection device) or a camera, etc.

いま、ワイヤ210が鉛直に吊られている状態において
、受光体332により2次元画面として検出された発光
体331の位置(δ8゜、δ、。)を2次元画面のXY
座標の原点とする。ワイヤ210が鉛直方向から傾いた
時に受光体332で検出された2次元画面中にお−ける
発光体331の位置を(6つ、δy)とすれば、ワイヤ
210の鉛直線からのずれ、すなわち鉛直線となす角△
θは。
Now, with the wire 210 suspended vertically, the position (δ8°, δ, .) of the light emitter 331 detected as a two-dimensional screen by the photoreceptor 332 is expressed as the XY of the two-dimensional screen.
Set as the origin of coordinates. If the position of the light emitter 331 in the two-dimensional screen detected by the photoreceptor 332 when the wire 210 is tilted from the vertical direction is (6 points, δy), then the deviation of the wire 210 from the vertical line, i.e. Angle with vertical line △
θ is.

△θ=sin−’(δ/h)#δ/h δ= ’  5 、”+ 8 、” で求められる。なお、上式中のhはワイヤ210の長さ
である。
Δθ=sin-'(δ/h)#δ/h δ='5,"+8,". Note that h in the above formula is the length of the wire 210.

10分力検出センサ 吊りワイヤの傾きを水平方向分力により検出する分力検
出センサの原理が第25図に、より具体的な構成例が第
26図に示されている。図示のように、この分力検出セ
ンサ340は張カセンサ機構206の下部に取り付けら
れており、ワイヤ210が貫通する玉軸受部342と、
この玉軸受部342の水平面内における偏位を検出する
6自由度カセンサ(2自由度カセンサであってもよい)
341と、分力検出センサを囲むカバー343となどで
構成されている。なお6自由度カセンサ341は張カセ
ンサ機構206のベースに固定されている。
10-Component Force Detection Sensor The principle of a component force detection sensor that detects the inclination of a hanging wire using a horizontal component force is shown in FIG. 25, and a more specific configuration example is shown in FIG. 26. As shown in the figure, this component force detection sensor 340 is attached to the lower part of the tension sensor mechanism 206, and includes a ball bearing portion 342 through which the wire 210 passes;
A 6-degree-of-freedom sensor (or a 2-degree-of-freedom sensor) that detects the deviation of this ball bearing 342 in the horizontal plane
341, a cover 343 surrounding the component force detection sensor, and the like. Note that the six-degree-of-freedom force sensor 341 is fixed to the base of the tension sensor mechanism 206.

このような構成にすると、ワイヤ210が鉛直方向から
傾いた場合には、このワイヤ210が玉軸受部342を
水平方向に偏位させ、その偏位の大きさが6自由度カセ
ンサ341により検出され、これによりワイヤ210の
鉛直線からの傾き△θを測ることができる。例えば力セ
ンサ341で検出された水平分力をTcとすると、傾き
八〇は △θ= S  1  n −’  (T c  / T
 )T。=FT−”+Tc、” で求まる。ここでTはワイヤ210にかかる弓艮力、T
 cxおよびT eyは、水平面における分力TCのX
方向およびX方向の成分である。
With such a configuration, when the wire 210 is tilted from the vertical direction, the wire 210 causes the ball bearing portion 342 to be displaced in the horizontal direction, and the magnitude of the displacement is detected by the six-degree-of-freedom force sensor 341. , whereby the inclination Δθ of the wire 210 from the vertical line can be measured. For example, if the horizontal component force detected by the force sensor 341 is Tc, the slope 80 is △θ=S 1 n −' (T c / T
)T. It is determined by =FT-"+Tc,". Here, T is the bowing force applied to the wire 210, T
cx and T ey are X of the component force TC in the horizontal plane
direction and the X direction component.

このような分力検出センサ340でワイヤ210の傾き
△θを検出する場合には、ジンバル207の回転やワイ
ヤ210のねじれに影響されることなく正確な測定がで
きる。
When detecting the inclination Δθ of the wire 210 using such a component force detection sensor 340, accurate measurement can be performed without being affected by the rotation of the gimbal 207 or the twisting of the wire 210.

1.2.3.制御動作 オフライン無重力模擬実験システムHの基本的な制御動
作はオフライン無重力実験システムIと同じであるが、
相違点として、ワイヤ210に傾き△θが生じた場合に
、その傾き△θを角度検出センサで検出し、これを2自
由度ロボット機構204にフィードバックさせ、ワイヤ
210が元の垂直方向に戻るようにワイヤ吊り下げ位置
の制御を行っている。
1.2.3. Control operation The basic control operation of the offline zero-gravity simulation system H is the same as the offline zero-gravity experiment system I, but
The difference is that when a tilt Δθ occurs in the wire 210, the tilt Δθ is detected by an angle detection sensor, and this is fed back to the two-degree-of-freedom robot mechanism 204 so that the wire 210 returns to its original vertical direction. The wire hanging position is controlled.

1.3.オンライン無重力模擬実験システム1木刀式は
、張力一定吊り方式、角度センサによる吊り方向鉛直保
持方式、およびロボットによる支持駆動とを折衷的に用
いたものである。
1.3. The online zero-gravity simulation system 1 is a wooden sword system that uses a compromise between a constant tension suspension system, an angle sensor to hold the suspension direction vertically, and a support drive using a robot.

1.3.1.全体構成 第27図にはオンライン無重力模擬実験システムIの処
理概要が示される。
1.3.1. Overall configuration FIG. 27 shows a processing outline of the online zero gravity simulation experiment system I.

本方式は、ソフトウェアシミュレーション部とハードウ
ェアシミュレーション部を切り離し、前述の角度検出セ
ンサおよび多関節構造体のベースに及ぶ力とモーメント
を検出する6自由度力センサが検出する値を使って無重
力模擬装置2の各関節角をリアルタイムに補正するフィ
ードバック制御系に特徴がある。
This method separates the software simulation section and the hardware simulation section, and uses the values detected by the angle detection sensor and the 6-degree-of-freedom force sensor that detects the force and moment exerted on the base of the articulated structure to create a zero-gravity simulator. The feature is the feedback control system that corrects each joint angle in real time.

すなわち無重力模擬制御部26に吊りワイヤ210の角
度検出センサと、多関節構造体ベース301に働く反作
用(力とモーメント)を検出する6自由度カセンサを有
し、多関節構造体制御部36に、多関節構造体コントロ
ール用ジョイステック35が接続されている。
That is, the zero-gravity simulation control unit 26 has a sensor for detecting the angle of the hanging wire 210 and a 6-degree-of-freedom force sensor that detects the reaction (force and moment) acting on the multi-joint structure base 301, and the multi-joint structure control unit 36 has A joystick 35 for controlling the multi-joint structure is connected.

1.3.2.要素部品 a、ロボットベースの反作用検出機構 第28図には多関節構造体3の関節の駆動に伴ってその
ベース301に働く反作用を検出する反作用検出機構が
示される。図示するように、左右2本のアーム302の
ベースへの付は根に6自由度カセンサ35】をそれぞれ
取り付け、この6自由度カセンサ351をカバー352
で囲っである。この6自由度カセンサ351によりベー
ス301に働く反作用(力とモーメント)を検出するこ
とができる。
1.3.2. Element Part a: Robot-based Reaction Detection Mechanism FIG. 28 shows a reaction detection mechanism that detects the reaction acting on the base 301 of the multi-joint structure 3 as the joints of the multi-joint structure 3 are driven. As shown in the figure, when attaching the two left and right arms 302 to the base, a six-degree-of-freedom sensor 35 is attached to the base, and the six-degree-of-freedom sensor 351 is attached to a cover 352.
It is surrounded by This six-degree-of-freedom sensor 351 can detect the reaction (force and moment) acting on the base 301.

1.3.3.制御動作 本方式の基本的な処理の流れを第27図に基づいて説明
する。
1.3.3. Control Operation The basic processing flow of this method will be explained based on FIG. 27.

第2図に示したシステムIではオフラインで予め用意さ
れていたデータに基づいて全体系を駆動させるが、本シ
ステムではジョイステック35を使ってリアルタイムに
多関節構造体3を駆動させることが可能である。多関節
構造体制御回部36はジョイステック35からの指令値
を目標値としたサーボ機構をなしており、多関節構造体
機構部32を遠隔的に操作することが可能である。
In the system I shown in FIG. 2, the entire system is driven offline based on data prepared in advance, but in this system, it is possible to drive the multi-joint structure 3 in real time using the joystick 35. be. The multi-joint structure control circuit 36 is a servo mechanism that uses a command value from the joystick 35 as a target value, and can remotely operate the multi-joint structure mechanism 32.

多関節構造体3は関節の駆動に伴ってそのベース301
に反作用(力とモーメント)を受け、また吊りワイヤ2
10は鉛直線からずれを生じる。
The multi-joint structure 3 changes its base 301 as the joints are driven.
is subjected to a reaction (force and moment) and the suspension wire 2
10 causes a deviation from the vertical line.

無重力I!擬副制御部6はこの反作用を6自由度力セン
サ351で検出し、この値を力学計算部において6自由
度ロボット機構部[d、、、d、、、d8□、α、β、
γ] (第20図参照)の各関節角に対する次ステツプ
指令値に変換する。6自由度ロボット機構部[d、、、
d□、d、□、α、β、γ]は、算出された次ステツプ
指令値を目標値としてサーボ駆動を次々に繰り返してい
く。
Zero gravity I! The pseudo sub-control unit 6 detects this reaction with the 6-degree-of-freedom force sensor 351, and sends this value to the 6-degree-of-freedom robot mechanism [d, , d, , d8□, α, β,
γ] (see FIG. 20) into the next step command value for each joint angle. 6 degrees of freedom robot mechanism [d,,,
d□, d, □, α, β, γ], the servo drive is repeated one after another using the calculated next step command value as the target value.

第29図には上記の力センサ351の検出値を用いて宇
宙ロボット3のベース301に無重力空間での運動と同
じ動きをさせるためのアルゴリズムが示される。図示の
ように、左、右6自由度力センサ351の出力値(力及
びモーメント)を検出しくステップS1)、宇宙ロボッ
トのベース301に対するニュートン方程式、オイラ一
方程式から、次ステツプのベース重心位置と姿勢角の時
間微分を算出しくステップS2)、6自由度ロボット(
d、、、d、、、dsz、a、β、γ)に対する速度成
分を算出しくステップS3)、6自由度ロボット機構部
のサーボ駆動を行い(ステップS4)、この処理を繰り
返す。
FIG. 29 shows an algorithm for causing the base 301 of the space robot 3 to move in the same way as in zero gravity space using the detected value of the force sensor 351. As shown in the figure, the output values (force and moment) of the left and right 6-degree-of-freedom force sensors 351 are detected (step S1), and from Newton's equation and Euler's equation for the base 301 of the space robot, the base center of gravity position of the next step is determined. Calculate the time derivative of the attitude angle (Step S2), and 6 degrees of freedom robot (
d, , d, , dsz, a, β, γ) is calculated in step S3), the 6-degree-of-freedom robot mechanism is servo driven (step S4), and this process is repeated.

同様に吊りワイヤの鉛直線からのずれは無重力模擬制御
部25の角度検出センサにより検出され、このずれを常
にゼロに補正するように吊りアーム(2自由度ロボット
機構)204がサーボ駆動される。
Similarly, the deviation of the hanging wire from the vertical line is detected by the angle detection sensor of the zero-gravity simulation control unit 25, and the hanging arm (two-degree-of-freedom robot mechanism) 204 is servo-driven so as to always correct this deviation to zero.

以上のような制御方式により、多関節構造体32のベー
ス301は常に反作用の影響を取り入れた挙動を行い、
吊りアーム204はワイヤ210が常に鉛直を保つよう
に多関節構造体3に追従して動いていく。この制御系は
、無重力模擬制御部26の力学計算に要する時間および
サーボ駆動のサンプリングタイムより長いタイムスケー
ルにおいてリアルタイム性を有する。
With the control method described above, the base 301 of the multi-joint structure 32 always behaves in a way that takes into account the influence of reaction.
The hanging arm 204 moves following the multi-joint structure 3 so that the wire 210 always remains vertical. This control system has real-time properties on a time scale longer than the time required for the dynamic calculations of the zero-gravity simulation control section 26 and the sampling time of the servo drive.

このオンライン無重力模擬実験システムIではハードウ
ェアによる無重力模擬実験をソフトウェア的に表示する
ことも可能となっている。即ち。
This online zero-gravity simulation system I also allows hardware-based zero-gravity simulation experiments to be displayed using software. That is.

多関節構造体3の初期値と駆動指令値をジョイステック
35を通して直接にリアルタイムソフトウェアシミュレ
ータ10の運動解析ソフト12に送る。運動解析ソフト
12では、受は取った値を運動方程式に代入し、ステッ
プ毎にシミュレーション表示ソフト13に表示させる。
The initial value and drive command value of the multi-joint structure 3 are sent directly to the motion analysis software 12 of the real-time software simulator 10 through the joystick 35. The kinematic analysis software 12 substitutes the obtained values into the equation of motion and displays them on the simulation display software 13 for each step.

この方式では、運動解析部12と表示部13における基
本ステップ間隔より長いタイムスケールの運動に対して
はリアルタイムの応答が可能である。
With this method, real-time response is possible to movements on a time scale longer than the basic step interval in the movement analysis section 12 and display section 13.

以上のように、本システム構成ではジョイステック35
の指令値に基づいてハードウェアとソフトウェアによる
双方の挙動をリアルタイムに確認していくことが可能で
ある。
As mentioned above, in this system configuration, joystick 35
It is possible to check the behavior of both hardware and software in real time based on the command values.

1.4.オンライン無重力模擬実験システム■本方式は
、張力一定吊り方式と角度センサによる吊り方向鉛直保
持方式のみを用いたものである。
1.4. Online Zero Gravity Simulation Experiment System ■This method uses only a constant tension suspension method and a method of holding the suspension direction vertically using an angle sensor.

1.4.1.全体構成 第30図には本方式による処理概要が示される。1.4.1. overall structure FIG. 30 shows an outline of the processing according to this method.

本方式の特徴は、上述のオンライン無重力模擬実験シス
テムIの無重力模擬機構部22において、多関節構造体
3のベース301を支持していた6自由度ロボット機構
部の代わりにベース301の重心を吊る張力一定吊り機
構部を新たに設け、第31図に示されるように多関節構
造体全体をワイヤ211で吊り下げるところにある。
The feature of this method is that in the zero-gravity simulation mechanism section 22 of the online zero-gravity simulation experiment system I mentioned above, the center of gravity of the base 301 is suspended instead of the six-degree-of-freedom robot mechanism section that supported the base 301 of the multi-jointed structure 3. A constant tension suspension mechanism is newly provided, and the entire multi-joint structure is suspended by wires 211, as shown in FIG.

従って、本方式の無重力模擬制御部27には角度検出セ
ンサが、機構部22には6自由度ロボット機構部に代わ
ってベースの重心を吊る張力一定吊り機構部が加わって
いる。吊る位置をベースの重心線上に取る理論的根拠は
次項において詳述する。
Therefore, the zero gravity simulation control section 27 of this system includes an angle detection sensor, and the mechanism section 22 includes a constant-tension suspension mechanism section that suspends the center of gravity of the base instead of the 6-degree-of-freedom robot mechanism section. The rationale for setting the hanging position on the center of gravity of the base will be explained in detail in the next section.

1.4.2.制御動作 本方式では、多関節構造体全体を張カ一定の複数本のワ
イヤ210.211で吊り、かつ各吊りアームが角度検
出センサの検出する値を見て常にワイヤを鉛直に保持制
御するので多関節構造体3の任意の動きに対して重力の
影響がキャンセルされる。
1.4.2. Control operation In this method, the entire multi-joint structure is suspended by multiple wires 210 and 211 with a constant tension, and each suspension arm constantly holds the wire vertically by checking the value detected by the angle detection sensor. The influence of gravity is canceled with respect to any movement of the multi-joint structure 3.

2、吊り方式 本無重力模擬実験システムにおける重要な要素技術の一
つである吊り機構の吊り位置と張力値を決める基本的な
方式を以下に述べる。いずれの方法も姿勢に依らない一
定の張力値によって多関節構造体に掛かる重力の影響を
トータルにキャンセルできるのが特徴である。
2. Hanging method The basic method for determining the hanging position and tension value of the hanging mechanism, which is one of the important elemental technologies in this zero-gravity simulation system, is described below. A feature of either method is that the influence of gravity on the multi-joint structure can be completely canceled by using a constant tension value that does not depend on the posture.

2.10重心鉛直線上吊り方式 本方式は張力一定吊り方式において吊り位置を重心鉛直
線上に取るもの−である。すなわち本方式は対象である
多関節構造体3をリンク毎に分解し、各々のリンクの重
心を通る鉛直線上を吊る方法である。張力値は各リンク
の重量に取る1木刀式ではワイヤの本数は分解したリン
ク数に等しくなる。よって6自由度ロボット機構を使っ
て多関節構造体3のベース301を支持する場合は当然
ワイヤの本数は少なくなる。
2.10 Center-of-Gravity Lifting Method This method is a constant tension hanging method in which the center of gravity is placed above the vertical line. That is, this method is a method in which the target multi-joint structure 3 is disassembled into links and suspended on a vertical line passing through the center of gravity of each link. The tension value is taken as the weight of each link.In the one-bokuto style, the number of wires is equal to the number of disassembled links. Therefore, when supporting the base 301 of the multi-joint structure 3 using a six-degree-of-freedom robot mechanism, the number of wires is naturally reduced.

第32図は本方式の原理を示したものである。FIG. 32 shows the principle of this system.

第32図において、各リンクは完全剛体とし、また各吊
り位置P1.P2、P3には第11図に示すようなジン
バル機構が連結されているものとする。単体吊りの場合
、単体の重心鉛直線上を吊る。張力Tは単体の重力に等
しい。また、多関節構造体の吊りの場合、各単体の重心
鉛直線上を吊る。各張力T1、T2、T3は各単体の重
力にそれぞれ等しい。
In FIG. 32, each link is a completely rigid body, and each hanging position P1. It is assumed that a gimbal mechanism as shown in FIG. 11 is connected to P2 and P3. When lifting a single unit, hang the unit on the vertical line of its center of gravity. Tension T is equal to the gravity of a single body. In addition, when suspending a multi-jointed structure, the center of gravity of each unit shall be suspended on the vertical line. Each tension T1, T2, T3 is equal to the gravity of each unit.

第32図かられかる通り、各コンポーネントはその重心
を通る鉛直線上を吊られているため、張力値TI、T2
、T3は姿勢に依らず常に一定となる。重力の影響が各
コンポーネント毎にキャンセルされ、従って組み上がっ
た多関節構造体全体においても重力の影響は存在しない
As can be seen from Fig. 32, each component is suspended on a vertical line passing through its center of gravity, so the tension values TI and T2
, T3 are always constant regardless of the posture. The influence of gravity is canceled for each component, so there is no influence of gravity on the entire assembled multi-jointed structure.

2.2.静力学的釣合い方式 本方式は対象である多関節構造体に対して静力学的な釣
合いの方程式を立てて吊り位置と張力値を求める方法で
ある。
2.2. Static balance method This method is a method to determine the suspension position and tension value by establishing a static balance equation for the target multi-jointed structure.

第33図に示すようなシリアルな機構を例に取って本方
式の原理を説明する。アーム303の吊り位置PI、P
2は各関節の屈曲軸とし、さらにハンド304単体も1
本のワイヤで吊る。吊りには前述同様ジンバルを用いる
。各リンクの重心位置は図示のように一直線上にならび
得るとする。このとき、静力学的釣り合いの式は以下の
ようになる。
The principle of this system will be explained by taking a serial mechanism as shown in FIG. 33 as an example. Hanging position PI, P of arm 303
2 is the bending axis of each joint, and the hand 304 alone is also 1
Hang with book wire. As mentioned above, a gimbal is used for hanging. It is assumed that the center of gravity of each link can be aligned on a straight line as shown. At this time, the equation of static balance is as follows.

ここでT。は左側の固定ボデーを通して支持される張力
、T、、T2.T3は各吊りワイヤの掛かる張力であり
、121〜β6は重心点からの距離である。
T here. are the tensions supported through the left fixed body, T, , T2. T3 is the tension applied to each hanging wire, and 121 to β6 are the distances from the center of gravity.

上式(5−11より、張力T。、T、、T2.T3の値
は以下のように求まる。
From the above formula (5-11), the values of tension T., T, , T2.T3 are determined as follows.

(5−1)の釣り合いの式は、第33図に示す以外の任
意の姿勢で成り立つ。従って、 (5−2)の各張力値
は対象の姿勢に依らず一定である。
The balance equation (5-1) holds true for any posture other than that shown in FIG. 33. Therefore, each tension value in (5-2) is constant regardless of the posture of the object.

2.3.折衷方式 本方式は張力一定吊り方式における前述の重心鉛直線上
吊り方式と静力学的釣合い方式を折衷したものであり、
釣りワイヤの本数をできるだけ減らす方法である。
2.3. Compromise method This method is a compromise between the above-mentioned center-of-gravity vertical suspension method and static balance method in the constant tension suspension method.
This is a method to reduce the number of fishing wires as much as possible.

今1.第33図の全体系を張力T、、T2の2本のワイ
ヤで支持することを考える。そのためには、今まで張力
T、のワイヤが支えていたハンド部分をTI、T2のワ
イヤで支えなければならないが、リンクCDの重心位置
が吊り位置Cの右側にずれているため、T3のワイヤを
はずすとリンクCDは重力のために垂れ下がってしまう
。これを避けるため、第34図に示されるように、リン
クCDの重力W3を補償するようなカウンタバランサを
取り付ける。
Now 1. Consider that the entire system shown in FIG. 33 is supported by two wires with tensions T, , T2. To do this, the hand part that was previously supported by the wire with tension T must be supported with the wires TI and T2, but since the center of gravity of the link CD has shifted to the right of the hanging position C, the wire with tension T3 has to be supported. If you remove it, the link CD will sag due to gravity. In order to avoid this, a counter balancer is installed to compensate for the gravity W3 of the link CD, as shown in FIG.

この場合の静力学的釣合いの式は以下のようになる。The static balance equation in this case is as follows.

上式(6−11より、張力T。、T、、T、の値を求め
ると、 前述と同様に、□この場合も式(6−2)の各張力値は
対象の姿勢に依らず常に一定であり、この一定張力で吊
ることにより無重力状態を模擬することができる。
From the above equation (6-11), find the value of tension T., T,, T, and as before, □In this case, each tension value in equation (6-2) is always independent of the object's posture. By hanging with this constant tension, it is possible to simulate a state of zero gravity.

3、吊りアームの制御 3.1.吊り方向鉛直保持方式のアルゴリズム前述の角
度検出センサを使って求めた吊りワイヤの鉛直線からの
ずれは、第35図に示されるようなアルゴリズムにより
、吊りアームの位置制御にフィードバックされる。すな
わち、角度検出センサ330.340のセンサ出力値(
δ8、δy)、(Te、、 TC,)を求め(ステップ
511)、このセンサ出力に基づき吊りアームに関する
逆キネマテイクスを使い吊りアームの目標関節角の算出
しくステップ512)、吊りアームのサーボ駆動を行い
(ステップ513)、この処理を繰り返す。吊りアーム
のサーボ駆動に従い変化する巻取りモータのエンコーダ
出力値からワイヤの長さを検出しくステップ514)、
これを次サイクルにおける吊りアームの目標関節角の算
出の際に用いる。
3. Control of hanging arm 3.1. Algorithm for hanging direction vertical holding method The deviation of the hanging wire from the vertical line determined using the angle detection sensor described above is fed back to the position control of the hanging arm by an algorithm as shown in FIG. That is, the sensor output values of the angle detection sensors 330 and 340 (
δ8, δy), (Te,, TC,) (step 511), and based on this sensor output, use inverse kinematics regarding the hanging arm to calculate the target joint angle of the hanging arm (step 512), and servo drive the hanging arm. is performed (step 513), and this process is repeated. detecting the length of the wire from the encoder output value of the winding motor that changes according to the servo drive of the hanging arm; step 514);
This is used when calculating the target joint angle of the suspension arm in the next cycle.

3.26巻取り機構部による張カ一定制御張カセンサ2
06を用いて吊りワイヤ21.0に掛かる張力を検出し
、その張力が一定張力となるように巻取り機構部205
の巻取りモータ230を制御する際のモータ制御方式に
ついて以下に述べる。
3.26 Constant tension control by winding mechanism section Tension sensor 2
06 is used to detect the tension applied to the hanging wire 21.0, and the winding mechanism unit 205 adjusts the tension so that the tension becomes constant.
A motor control method for controlling the winding motor 230 will be described below.

3.2.1.トルク制御方式I このトルク制御方式Iは張力センサ206の検出出力に
基づいて巻取りモータ230をトルク制御し、吊りワイ
ヤに掛かる張力を一定にして無重力環境を模擬する方式
である。
3.2.1. Torque Control Method I This torque control method I is a method in which the winding motor 230 is torque-controlled based on the detection output of the tension sensor 206, and the tension applied to the hanging wire is kept constant to simulate a zero-gravity environment.

a、全体構成 第36図には本トルク制御方式■を実現するためのシス
テム構成が示される。図示のように、無重力を模擬すべ
き対象物とワイヤで結ばれている無重力模擬装置の機構
部22と、この機構部を制御する制御部21とからなる
システム構成となっている。
a. Overall configuration FIG. 36 shows a system configuration for realizing the present torque control method (2). As shown in the figure, the system configuration includes a mechanism section 22 of the zero gravity simulating device that is connected with a wire to an object to simulate zero gravity, and a control section 21 that controls this mechanism section.

ここで本トルク制御方式1に係わる無重力模擬機構部2
2の構成部分としては前述の第13図で説明した巻取り
機構部205と張力センサ206であり、第36図中に
は無重力を模擬すべき対象物をワイヤによって巻上げ7
巻下げする巻取り機構部205の巻取りモータ230と
、その吊りワイヤ210の張力を検出する張力センサ2
06が示されている。
Here, the zero gravity simulating mechanism section 2 related to the present torque control method 1
The components of 2 are the winding mechanism 205 and tension sensor 206 described above in FIG. 13, and in FIG.
A winding motor 230 of the winding mechanism section 205 that lowers the winding, and a tension sensor 2 that detects the tension of the hanging wire 210.
06 is shown.

この張力センサ206は、その内部回路において、ワイ
ヤに実際に掛かっている張力値と、前述の第2項の各吊
り方式により決定される無重力環境を実現するための張
力値(物体の重力値であり、内部回路に予め設定される
)との差を求め、それを張力変動値として出力するよう
になっている。従って対象物がワイヤによりその重力値
に等しい一定張力で吊られている平衡状態ではこの張力
変動値は零となる。
In its internal circuit, this tension sensor 206 detects the tension value actually applied to the wire and the tension value (based on the gravity value of the object) for realizing a zero-gravity environment determined by each suspension method in the second section above. (preset in the internal circuit) and outputs it as a tension fluctuation value. Therefore, in an equilibrium state where the object is suspended by a wire with a constant tension equal to its gravity value, this tension fluctuation value becomes zero.

一方、無重力模擬制御部21は制御ソフト261と制御
回路260を含み構成されている。制御ソフト261は
吊り対象物体に働く重力値を張力指令値として出力する
ものであるが、張力センサ206はワイヤ210に掛か
る張力値が対象物体の重力値である時にそれを検出して
零を出力するようにセットされているので、対象物体の
重力値を零点とするよう基準が取られており、従ってこ
の張力指令値も上述の例では物体の重力値を指示する値
として零を出力するようになっている。制御回路260
は張力センサ206で検出された張力変動値と制御ソフ
トの張力指令値との差を内部の比較部で求め、その差に
基づいて巻取りモータ230に対するトルク指令値を計
算して出力する回路である。
On the other hand, the zero gravity simulation control section 21 includes control software 261 and a control circuit 260. The control software 261 outputs the gravity value acting on the object to be suspended as a tension command value, but the tension sensor 206 detects when the tension value applied to the wire 210 is the gravity value of the object and outputs zero. Since the gravitational force value of the target object is set as the zero point, the tension command value is also set to zero in the above example. It has become. Control circuit 260
This circuit calculates the difference between the tension fluctuation value detected by the tension sensor 206 and the tension command value of the control software using an internal comparison section, calculates and outputs the torque command value for the winding motor 230 based on the difference. be.

b、各要素の構成 巻取り機構部205お−よび張力センサ206の具体的
構成は第13図により説明したものと同じである。
b. Structure of each element The specific structure of the winding mechanism section 205 and the tension sensor 206 is the same as that explained with reference to FIG.

C0無重力模擬のための巻取り機構部の制御方法光に述
べた通り、物体に働く重力を相殺して無重力を模擬する
ためには、ワイヤ210により物体を常に重力と等しい
張力で鉛直上向きに引っ張り上げればよい。そこで、制
御ソフト261は物体に働く重力をキャンセルして無重
力環境を実現するために、ワイヤに掛けるべき張力を指
示する張力指令値(この例では零=重力値としている)
を制御回路260に出力する。
How to control the winding mechanism for simulating C0 zero gravity As mentioned in the article, in order to cancel the gravity acting on an object and simulate zero gravity, the wire 210 is used to constantly pull the object vertically upward with a tension equal to gravity. Just raise it. Therefore, the control software 261 uses a tension command value (in this example, zero = gravity value) that instructs the tension to be applied to the wire in order to cancel the gravity acting on the object and create a zero-gravity environment.
is output to the control circuit 260.

物体がワイヤ210によりその物体の重力値と等しい一
定張力で吊られている状態では、張力センサ206から
の検出出力は前述のように零である。この状態で、制御
回路260は吊り物体の重力値に見合ったトルク指令値
を発生し、そのトルク指令値の大きさのトルクを巻取り
モータ230は発生する。これにより物体はその重力と
ワイヤの張力が釣り合った状態すなわち無重力状態に維
持される。
When the object is suspended by the wire 210 with a constant tension equal to the gravity value of the object, the detection output from the tension sensor 206 is zero as described above. In this state, the control circuit 260 generates a torque command value commensurate with the gravity value of the suspended object, and the winding motor 230 generates a torque equal to the torque command value. This maintains the object in a state where its gravity and the tension of the wire are balanced, ie, in a state of weightlessness.

ワイヤ210に掛かる張力は物体の動きや物体に作用す
る外力によって変動する。この張力変動値は張力センサ
206により計測され、その計測された張力変動値は制
御ソフト261からの張力指令値(=零)と共に制御回
路260に入力される。制御回路260はこれら張力変
動値と張力指令値との差を比較部で求め、この差(すな
わち張力変動値)を素早く減少させることができる巻取
りモータ230のトルク値を計算し、これをトルク指令
値として巻取りモータ230に与える。
The tension applied to the wire 210 varies depending on the movement of the object and the external force acting on the object. This tension fluctuation value is measured by the tension sensor 206, and the measured tension fluctuation value is input to the control circuit 260 together with the tension command value (=zero) from the control software 261. The control circuit 260 calculates the difference between these tension fluctuation values and the tension command value using a comparison section, calculates the torque value of the winding motor 230 that can quickly reduce this difference (that is, the tension fluctuation value), and sets this as the torque value. It is given to the winding motor 230 as a command value.

トルク指令値を受は取った巻取りモータ230はその大
きさのトルクで駆動され、それによりワイヤの張力変動
を打ち消すように巻胴235によりワイヤ210を巻取
り7巻戻しする。すなわち張力変動値が正方向に増えた
場合にはワイヤ210を巻き戻してワイヤの張力を減少
させ、一方、負方向に減少した場合にはワイヤ210を
巻き上げてワイヤの張力を増加させ、それによりワイヤ
210の張力が常に一定になるように維持する。
The winding motor 230, which has received the torque command value, is driven by the torque of that magnitude, and thereby winds the wire 210 and unwinds it seven times by the winding drum 235 so as to cancel out the tension fluctuation of the wire. That is, when the tension fluctuation value increases in the positive direction, the wire 210 is unwound to decrease the wire tension, whereas when it decreases in the negative direction, the wire 210 is wound up to increase the wire tension, thereby The tension of the wire 210 is maintained constant at all times.

以上により物体を吊るワイヤ210の張力は、物体に働
く重力を目標値として一定に保たれ、それにより物体の
模擬的な無重力環境を実現できる。
As described above, the tension of the wire 210 suspending the object is kept constant with the gravitational force acting on the object as the target value, thereby realizing a simulated zero-gravity environment for the object.

以上に説明したトルク方式Iでは、張力センサ206か
らの検出出力を張力変動値としたが、勿論、ワイヤ21
0に掛かる張力値をそのまま出力するように構成するこ
ともでき、その場合は制御ソフト261からの張力指令
値は物体の重力値とすることになる。
In the torque method I explained above, the detected output from the tension sensor 206 is taken as the tension fluctuation value, but of course, the wire 21
It is also possible to configure so that the tension value applied to 0 is output as is, and in that case, the tension command value from the control software 261 will be the gravity value of the object.

また物体の完全な無重力状態をシミュレーションするの
ではな(、ある程度の重力がある場所、例えば月面の弱
重力状態を模擬する場合などには、制御ソフト261か
らの張力指令値を適当に変えることで対応できる。
In addition, when simulating a completely weightless state of an object (for example, when simulating a low gravity state on the moon surface), the tension command value from the control software 261 should be changed appropriately. It can be handled by

3.2.2. トルク制御方式■ このトルク制御方式■は、巻取りモータ等が持つ静止摩
擦の影響を除去したうえで、張力センサを用いて巻取り
モータをトルク制御し、吊りワイヤに掛かる張力を一定
張力にして無重力環境を模擬する方式である。
3.2.2. Torque control method ■ This torque control method eliminates the influence of static friction of the take-up motor, etc., and then uses a tension sensor to control the torque of the take-up motor to maintain a constant tension on the hanging wire. This method simulates a zero gravity environment.

巻取り機構部(巻取りモータ、巻胴なと)や張力センサ
なとは一般に静止摩擦を持っており、巻取り機構部を速
度ゼロから急に回転させようとする時には、この静止摩
擦によりワイヤの巻取り7巻戻し動作が滑らかでな(な
る。この結果、張カ一定制御が不安定となり、無重力環
境の模擬も正確でなくなる。このトルク制御方式■はか
かる静止摩擦の影響を除去し、張カ一定制御の応答性を
改善したものである。
The winding mechanism (winding motor, winding drum) and tension sensor generally have static friction, and when the winding mechanism is suddenly rotated from zero speed, this static friction causes the wire to The winding and unwinding operations are not smooth (as a result, the constant tension control becomes unstable and the simulation of a zero gravity environment becomes inaccurate. This torque control method (■) eliminates the influence of static friction, This improves the responsiveness of constant tension control.

a、全体構成 第37図にはトルク制御方式■を実現するためのシステ
ム構成が示される。このトルク制御方式■では、前述の
トルク制御方式Iの構成に加えて、張力センサ206で
検出された張力変動値を制御ソフト262にも入力し、
制御ソフト262はこの張力変動値に基づいて静止摩擦
の発生を検知して、その影響を除去するように制御回路
260への張力指令値を変えることができるようになっ
ている。
a. Overall configuration FIG. 37 shows a system configuration for realizing torque control method (2). In this torque control method (2), in addition to the configuration of the above-mentioned torque control method I, the tension fluctuation value detected by the tension sensor 206 is also input to the control software 262,
The control software 262 is capable of detecting the occurrence of static friction based on this tension fluctuation value and changing the tension command value to the control circuit 260 so as to eliminate the influence thereof.

)、制御方法 物体(宇宙ロボット)の動きに対応して巻取り機構部2
05を起動させる際に静止摩擦力が生じていた場合には
、ワイヤに掛かる張力は一定張力値からその静止摩擦の
影響分だけ変化する。すなわち、物体の上方への動きに
対応してワイヤを巻き上げようとした時に巻取り機構等
に静止摩擦が生じると、その静止摩擦の分だけワイヤに
掛かる張力は減少する。同様に、物体の下方への動きに
対応してワイヤを巻き下げようとした時に静止摩擦が生
じると、その静止摩擦の分だけワイヤに掛かる張力は増
加する。
), control method The winding mechanism section 2 corresponds to the movement of the object (space robot).
If a static friction force is generated when 05 is activated, the tension applied to the wire changes from a constant tension value by the influence of the static friction. That is, if static friction occurs in the winding mechanism or the like when winding up the wire in response to the upward movement of the object, the tension applied to the wire decreases by the amount of static friction. Similarly, if static friction occurs when the wire is wound down in response to the downward movement of the object, the tension on the wire increases by the amount of static friction.

そこで、ワイヤに実際に掛かつている張力の変動値を張
力センサ206で検出して制御ソフト262に取り込む
。制御ソフト262は通常の釣り合い状態で物体の重力
をキャンセルするための張力指令値を持つ。以降、この
張力指令値を基準張力指令値と称することとする。この
例では基準張力指令値は前述のトルク制御方式Iで説明
したように物体の重力値を零点にとっているので零とな
る。制御ソフト262では入力された張力変動値を、自
己の基準張力指令値と比較する。この比較の結果、張力
変動値〉基準張力指令値(すなわち張力変動値が正の値
であった場合)であれば、ワイヤ巻き下げ時に静止摩擦
が生じたと判断でき、一方、張力変動値〈基準張力指令
値(すなわち張力変動値が負の値であった場合)であれ
ば、ワイヤ巻上げ時に静止摩擦が生じたと判断できる。
Therefore, the fluctuation value of the tension actually applied to the wire is detected by the tension sensor 206 and input into the control software 262. The control software 262 has a tension command value for canceling the gravity of the object in a normal equilibrium state. Hereinafter, this tension command value will be referred to as a reference tension command value. In this example, the reference tension command value is zero because the gravity value of the object is taken as the zero point as explained in the above-mentioned torque control method I. The control software 262 compares the input tension fluctuation value with its own reference tension command value. As a result of this comparison, if the tension fluctuation value is greater than the standard tension command value (that is, if the tension fluctuation value is a positive value), it can be determined that static friction has occurred during wire winding; If the tension command value (that is, the tension fluctuation value is a negative value), it can be determined that static friction has occurred during wire winding.

制御ソフト262は、張力変動値に基づき静止摩擦の発
生を検出すると、この静止摩擦の影響を除去するように
、基準張力指令値に静止摩擦オフセットを与える。この
静止摩擦オフセット値は、巻取り機構部等の起動時に生
じる静止摩擦力を予め測定しておき、その静止摩擦力に
相応する値に選ばれる。
When the control software 262 detects the occurrence of static friction based on the tension fluctuation value, it gives a static friction offset to the reference tension command value so as to remove the influence of this static friction. This static friction offset value is selected to be a value corresponding to the static friction force that is measured in advance when the winding mechanism section etc. is activated.

すなわち、張力変動値が正の値(巻下げ時の静止摩擦)
の場合には、制御ソフト262は制御回路260に与え
る張力指令値を基準張力指令値よりも静止摩擦オフセッ
ト値分だけ小さくする。これによりワイヤ210に掛か
る張力が静止摩擦動労だけ減り、結局、静止摩擦の発生
にもかかわらずワイヤ210に掛かる張力は一定となる
。−方、張力変動値が負の値(巻上げ時の静止摩擦)の
場合には、制御ソフト262は制御回路260に与える
張力指令値を基準張力指令値よりも静止摩擦オフセット
値分だけ太き(する。これによりワイヤ210に掛かる
張力が静止摩擦動労だけ増え、それにより静止摩擦の発
生にもかかわらずワイヤ210に掛かる張力は一定とな
る。
In other words, the tension fluctuation value is a positive value (static friction during lowering)
In this case, the control software 262 makes the tension command value given to the control circuit 260 smaller than the reference tension command value by the static friction offset value. As a result, the tension applied to the wire 210 is reduced by the amount of static friction effort, and as a result, the tension applied to the wire 210 remains constant despite the occurrence of static friction. On the other hand, when the tension fluctuation value is a negative value (static friction during winding), the control software 262 sets the tension command value given to the control circuit 260 to be thicker than the reference tension command value by the static friction offset value ( As a result, the tension applied to the wire 210 increases by the amount of static friction effort, so that the tension applied to the wire 210 remains constant despite the occurrence of static friction.

なお、以上に説明したトルク制御方式口では、静止摩擦
の検出を張力センサ206からの張力変動値のみに基づ
いて行っているが、これに限らず、例えば巻取りモータ
230の回転速度情報も制御ソフト262に入力するよ
うに構成し、張力変動値とモータ回転数とに基づいて静
止摩擦の発生を判断するようにすれば、静止摩擦の発生
検出がより確実になる。
Note that in the torque control method described above, static friction is detected based only on the tension fluctuation value from the tension sensor 206, but the invention is not limited to this, and for example, rotational speed information of the winding motor 230 can also be controlled. By configuring the software 262 to input the information and determining the occurrence of static friction based on the tension fluctuation value and the motor rotation speed, detection of the occurrence of static friction becomes more reliable.

3.2.3. トルク制御方式■ このトルク制御方式■は、巻取りモータ等の静正摩擦の
影響の他に動摩擦の影響も除去したうえで、張力センサ
を用いて巻取りモータをトルク制御し、吊りワイヤに掛
かる張力を一定にして無重力環境を模擬する方式である
3.2.3. Torque control method ■ This torque control method eliminates the effects of dynamic friction as well as the effects of static friction on the winding motor, etc., and then uses a tension sensor to control the torque of the winding motor to control the torque applied to the hanging wire. This method simulates a zero-gravity environment by keeping the tension constant.

巻取り機構部(巻取りモータ、巻胴なと)や張力センサ
などには、前述の静止摩擦の他に、吊り機構動作中に発
生する動摩擦も存在する。このトルク制御方式■は、前
述のトルク制御方式■による静止摩擦の影響の除去に加
えて、この動摩擦の影響も除去するようにしたものであ
る。
In addition to the above-mentioned static friction, dynamic friction that occurs during the operation of the suspension mechanism also exists in the winding mechanism (winding motor, winding drum), tension sensor, and the like. This torque control method (2) is designed to eliminate the influence of dynamic friction in addition to eliminating the influence of static friction in the torque control method (2) described above.

a、全体構成 第38図にはトルク制御方式mを実現するためのシステ
ム構成が示される。本トルク制御方式■では、前述のト
ルク制f卸方式■の構成に加えて、巻取りモータ230
の回転速度が制御ソフト263に入力されており、制御
ソフト263は張力センサ206からの張力値と巻取り
モータ230からの回転数とに基づいて張力指令値を変
えることができるようになっている。
a. Overall configuration FIG. 38 shows a system configuration for realizing torque control method m. In this torque control method (■), in addition to the configuration of the torque control f wholesale method (■) described above, the winding motor 230
The rotation speed is input to the control software 263, and the control software 263 can change the tension command value based on the tension value from the tension sensor 206 and the rotation speed from the take-up motor 230. .

b、制御方法 巻取り機構部205で一巻取り7巻戻しを行っている時
には1巻取りモータの回転速度値が制御ソフト263に
取り込まれる。制御ソフト263では、前述のトルク制
御方式−■で説明したように吊り機構の起動時に基準張
力指令値に静止摩擦オフセット値を加算/減算する他に
、吊り機構の駆動中には基準張力指令値に動摩擦オフセ
ット値を加!/減算し、かつこの動摩擦オフセット値を
モータ回転速度に応じて変化させている。
b. Control Method When the winding mechanism section 205 performs one winding and seven rewinding operations, the rotational speed value of the first winding motor is taken into the control software 263. In the control software 263, in addition to adding/subtracting the static friction offset value to the reference tension command value when starting the suspension mechanism as explained in the torque control method -■ above, the control software 263 adds/subtracts the static friction offset value to the reference tension command value when the suspension mechanism is activated. Add dynamic friction offset value to! / subtracted, and this dynamic friction offset value is changed according to the motor rotation speed.

すなわち、一般に動摩擦力は速度に比例するものである
ので、予め実験によって回転速度とその回転速度で生じ
る動摩擦力の関係を決める比例定数を求めておく。回転
速度が零の場合には、トルク制御方式Hのように張力指
令値に静止摩擦分の静止摩擦オフセットを与えるが、回
転速度が零でない場合には、回転速度に前述の比例定数
を乗じて動摩擦を算出し、これを動摩擦オフセットとし
て張力指令値に付加する。
That is, since kinetic frictional force is generally proportional to speed, a proportionality constant that determines the relationship between rotational speed and kinetic frictional force generated at that rotational speed is determined in advance through experiments. When the rotational speed is zero, a static friction offset for static friction is given to the tension command value as in torque control method H, but when the rotational speed is not zero, the rotational speed is multiplied by the proportionality constant described above. The dynamic friction is calculated and added to the tension command value as a dynamic friction offset.

この場合、基準張力指令値を零とすると、回転が巻戻し
く巻下げ)の時は張力指令値は負の動摩擦動労の値とな
り1回転が巻取り(巻上げ)の場合は正の動摩擦動労の
値となる。
In this case, if the reference tension command value is zero, when the rotation is unwinding (unwinding), the tension command value is the value of negative kinetic friction and effort, and when one revolution is winding (winding up), the tension command value is the value of positive kinetic friction and effort. value.

これによって制御回路260における比較部の出力(張
力変動値と張力指令値の差)は動摩擦カ分だけ大きさが
変化し、この動摩擦力を相殺するようなトルク指令値が
発生され、それにより前述したトルク制御方式Hの作用
と合わせて摩擦力の影響を除去する作用を実現できるも
のである。
As a result, the output of the comparison section in the control circuit 260 (the difference between the tension fluctuation value and the tension command value) changes in magnitude by the dynamic friction force, and a torque command value that cancels out this dynamic friction force is generated, thereby causing the above-mentioned torque command value to be generated. In combination with the effect of the torque control method H, it is possible to realize an effect of eliminating the influence of frictional force.

3.2.4. トルク制御方式■ このトルク制御制御方式■は、前述のトルク制御方式■
と同様に、張力センサ206の検出出力に基づいて巻取
りモータ230のトルク制御を行う方式である。
3.2.4. Torque control method ■ This torque control method ■ is the same as the torque control method described above.
Similarly, this method controls the torque of the winding motor 230 based on the detection output of the tension sensor 206.

a、全体構成 第39図にはトルク制御方式tVを実現するためのシス
テム構成が示される。これをトルク制御方式Iと比較す
ると、巻取りモータ230、張カセ 3ンサ206の構
成は同じである。したがって張力センサ206は張力が
物体の重力値と釣り合った状態での検出値を零”点とし
、それからの張力の変動値を張力変動値として出力して
いる。相違点として張力指令値を発生する制御ソフト2
61がなく、制御回路264には張力センサ206から
の張力変動値のみが入力されている。
a. Overall configuration FIG. 39 shows a system configuration for realizing the torque control method tV. Comparing this with torque control method I, the configurations of the take-up motor 230 and the tensioner sensor 206 are the same. Therefore, the tension sensor 206 takes the detected value when the tension is balanced with the gravity value of the object as the zero point, and outputs the fluctuation value of the tension from there as the tension fluctuation value.The difference is that the tension command value is generated. Control software 2
61, and only the tension fluctuation value from the tension sensor 206 is input to the control circuit 264.

b、制御方式 トルク制御方式!■では、張力センサ206からの張力
変動値が制御回路264に入力されており、制御回路2
64はこの張力変動値がすばやく減少するようなトルク
指令値を計算して、巻取りモータ230に与えるように
なっている。巻取りモータ230はこのトルク指令値に
相応したトルクを発生することで、巻取り機構部のワイ
ヤ21Oを巻取り7巻戻しして、ワイヤ210に掛かる
張力の変動を抑えており、それによりワイヤの張力は物
体に働(重力を目標値として一定に保たれることになる
b. Control method Torque control method! In (2), the tension fluctuation value from the tension sensor 206 is input to the control circuit 264;
64 calculates a torque command value such that this tension fluctuation value quickly decreases and supplies it to the winding motor 230. By generating a torque corresponding to this torque command value, the winding motor 230 winds and unwinds the wire 21O of the winding mechanism section by seven windings, thereby suppressing fluctuations in the tension applied to the wire 210. The tension exerted on the object (will be kept constant with gravity as the target value).

1.2.5. )−ルク制御方式V トルク制御方式■は、トルク制御方式■と同様に、静止
摩擦の影響を除去しつつ、巻取りモータをトルク制御す
る方式で−ある。
1.2.5. ) - Torque control method V Torque control method (2), like torque control method (2), is a method for controlling the torque of the winding motor while eliminating the influence of static friction.

a、全体構成 第40図にはトルク制御方式Vを実現するためのシステ
ム構成が示される。図中、巻取りモータ23Ω、張力セ
ンサ206、制御回路264はトルク制御方式■と同じ
ものである。相違点として、制御回路264から出力さ
れたトルク指令値は静止摩擦トルクオフセット生成手段
265と加算器266に入力されており、静止摩擦トル
クオフセット生成手段265には巻取りモータ230か
ら回転速度値が入力されている。静止摩擦トルクオフセ
ット生成手段265は制御回路264からのトルク指令
値と巻取りモータ230からの回転速度値に基づいて静
止摩擦トルクオフセット値を発生して加算器266に出
力する。加算器266はこの静止摩擦トルクオフセット
値を制御回路264からのトルク指令値に加算して巻取
りモータ230に送出する。
a. Overall configuration FIG. 40 shows a system configuration for realizing torque control method V. In the figure, the winding motor 23Ω, the tension sensor 206, and the control circuit 264 are the same as in the torque control method (2). The difference is that the torque command value output from the control circuit 264 is input to the static friction torque offset generation means 265 and the adder 266, and the rotation speed value from the winding motor 230 is input to the static friction torque offset generation means 265. It has been entered. Static friction torque offset generation means 265 generates a static friction torque offset value based on the torque command value from control circuit 264 and the rotational speed value from take-up motor 230, and outputs it to adder 266. Adder 266 adds this static friction torque offset value to the torque command value from control circuit 264 and sends it to winding motor 230.

b、制御方法 吊り機構の起動時には、張力センサ206からの張力変
動値に応じて制御回路264がトルク指令値を演算して
巻取りモータ230に与えることになるが、しかしその
ままのトルク指令値では、静止摩擦の影響で巻取りモー
タ230が動きだすまでに時間遅れが存在してしまう。
b. Control method When the suspension mechanism is started, the control circuit 264 calculates a torque command value according to the tension fluctuation value from the tension sensor 206 and gives it to the winding motor 230. However, the torque command value as it is is not enough. , there is a time delay before the winding motor 230 starts moving due to the influence of static friction.

そこで静止摩擦トルクオフセット生成手段265はモー
タ回転速度をモニタしており、回転速度が零の時のみ、
静止摩擦力を相殺するための静止摩擦トルクオフセット
値を出力し、これを加算器266で制御回路264から
のトルク指令値に加えて巻取りモータ230に与える。
Therefore, the static friction torque offset generating means 265 monitors the motor rotation speed, and only when the rotation speed is zero,
A static friction torque offset value for canceling the static friction force is output, and added to the torque command value from the control circuit 264 by an adder 266 and applied to the winding motor 230.

この静止摩擦トルクオフセットの大きさは予め、実験で
静止摩擦力を相殺する分のトルク値として求めておき、
静止摩擦トルクオフセット生成手段265にセットして
おく。静LI:摩擦トルクオフセット値の極性は、物体
の重力と釣り合うトルク値を基準トルク値として静止摩
擦トルクオフセット生成手段265内にセットしておき
、この基準トルク値を制御回路264からのトルク指令
値と比較することで決定する。
The magnitude of this static friction torque offset is determined in advance by an experiment as a torque value that offsets the static friction force.
It is set in the static friction torque offset generation means 265. Static LI: The polarity of the friction torque offset value is set in the static friction torque offset generation means 265 using a torque value that balances the gravity of the object as a reference torque value, and this reference torque value is set as a torque command value from the control circuit 264. Determine by comparing with.

すなわち、基準トルク値〉トルク指令値の場合は、巻下
げ時の静止摩擦が発生したものと判断でき、この時には
静止摩擦トルクオフセット値を負にして、トルク指令値
をその分小さくし、それにより巻下げ方向のワイヤに掛
かる張力を大きくして静止摩擦の影響を除去している。
In other words, if the reference torque value is greater than the torque command value, it can be determined that static friction has occurred during lowering, and in this case, the static friction torque offset value is made negative to reduce the torque command value accordingly. The effect of static friction is removed by increasing the tension applied to the wire in the lowering direction.

また、基準トルク値〈トルク指令値の場合は、巻上げ時
の静止摩擦が発生したものと判断でき、この時には静止
摩擦トルクオフセット値を正にして、トルク指令値をそ
の分大きくし、それにより巻上げ方向のワイヤに掛かる
張力を太き(して静止摩擦の影響を除去している。
In addition, if the reference torque value < torque command value, it can be determined that static friction has occurred during hoisting, and in this case, the static friction torque offset value is made positive, the torque command value is increased by that amount, and the The effect of static friction is removed by increasing the tension applied to the wire in the direction.

3.2.6. トルク制御方式■ このトルク制御方式vIは、トルク制御方式■と同様に
、静止摩擦の影響の他に動摩擦の影響も除去したうえで
、巻取りモータをトルク制御する方式である。
3.2.6. Torque Control Method ■ This torque control method vI, like the torque control method ■, is a method of controlling the torque of the winding motor after removing the influence of dynamic friction in addition to the influence of static friction.

a、全体構成 第41図にはトルク制御方式Vlを実現するためのシス
テム構成が示される。このトルク制御方式■が前述のト
ルク制御方式■と相違するところは、トルク制御方式V
Tでは静止摩擦トルクオフセット生成手段265の代わ
りにトルクオフセット生成手段267が用いられている
点であり、このトルクオフセット生成手段267は巻取
りモータ230の回転速度値と制御回路264のトルク
指令値を取り込み、回転速度が零の場合には静止摩擦ト
ルクオフセット値を、回転速度が零でない場合には動摩
擦トルクオフセット値を出力するようになっている。
a. Overall configuration FIG. 41 shows a system configuration for realizing the torque control method Vl. The difference between this torque control method ■ and the torque control method ■ described above is that torque control method V
In T, a torque offset generation means 267 is used instead of the static friction torque offset generation means 265, and this torque offset generation means 267 generates the rotational speed value of the winding motor 230 and the torque command value of the control circuit 264. When the rotation speed is zero, a static friction torque offset value is output, and when the rotation speed is not zero, a dynamic friction torque offset value is output.

b、制御方法 回転速度が零の状態から巻取りモータ230を起動する
場合には、前述のトルク制御方式■と同様に、トルクオ
フセット生成手段267は静止摩擦トルクオフセット値
を加算器266に出力して、制御回路264からのトル
ク指令値にその静止摩擦トルクオフセット値を付加して
巻取りモータ230に送出し、静止摩擦の影響を除去す
る。
b. Control method When starting the winding motor 230 from a state where the rotational speed is zero, the torque offset generating means 267 outputs a static friction torque offset value to the adder 266, similar to the torque control method (2) described above. Then, the static friction torque offset value is added to the torque command value from the control circuit 264 and sent to the winding motor 230 to eliminate the influence of static friction.

一方、回転速度が零でない状態では、吊り機構部に動摩
擦が生じているので、トルクオフセット生成手段267
はこの動摩擦力を相殺する分の動摩擦トルクオフセット
値を発生し、これを加算器266で制御回路264から
のトルク指令値に付加して巻取りモータ230に送出す
る。これによりワイヤ巻取り7巻戻し中の動摩擦の影響
は除去される。
On the other hand, when the rotational speed is not zero, dynamic friction occurs in the suspension mechanism, so the torque offset generating means 267
generates a dynamic friction torque offset value to offset this dynamic friction force, adds this to the torque command value from the control circuit 264 in an adder 266, and sends it to the winding motor 230. This eliminates the influence of dynamic friction during wire winding 7 and unwinding.

動摩擦トルクオフセット値の大きさは予め実験で求めら
れた動摩擦力をキャンセルするトルク値を用いる。また
前述のトルク制御方式■で述べたと同様に、動摩擦力の
大きさはモータの回転速度により変化するので、この動
摩擦トルクオフセット値の大きさは回転速度に相応して
変化するようにする。動摩擦トルクオフセット値の極性
は、静止摩擦の場合と同様に、ワイヤの巻上げ時に正、
巻下げ時に負とする。
As the magnitude of the dynamic friction torque offset value, a torque value that cancels the dynamic friction force, which is determined in advance through experiments, is used. Further, as described in the above-mentioned torque control method (2), since the magnitude of the dynamic frictional force changes depending on the rotational speed of the motor, the magnitude of the dynamical friction torque offset value is made to change in accordance with the rotational speed. As in the case of static friction, the polarity of the dynamic friction torque offset value is positive when winding the wire,
Negative when lowering.

3、2.7.速度制御方式 本速度制御方式は張力センサの検出張力と対象物体の質
量から物体の速度を計算してその値によって巻取りモー
タを速度制御し、ワイヤに掛かる張力を一定に制御して
無重力環境を模擬する方式%式% 第42図には本速度制御方式を実現するためのシステム
構成が示される。前述のトルク制御方式路I〜■と相違
する点として、無重力模擬制御部21が制御ソフト26
8のみからなり、この制御ソフト268は張力センサ2
06から張力値を得て、巻取りモータ230に速度指令
を出力するように構成されている。
3, 2.7. Speed control method This speed control method calculates the speed of the object from the tension detected by the tension sensor and the mass of the target object, and controls the speed of the winding motor based on that value, controlling the tension on the wire to a constant value to create a zero-gravity environment. Figure 42 shows a system configuration for realizing this speed control method. The difference from the torque control method paths I to ■ described above is that the zero-gravity simulation control section 21 uses the control software 26.
This control software 268 consists of only tension sensor 8.
06 and outputs a speed command to the winding motor 230.

b、制御方法 この速度制御方式の特徴は、物体に加わる外力Fから直
接に物体の無重力環境下での動きを計算し、巻取りモー
タに速度指令を行うところにある。
b. Control method The feature of this speed control method is that the movement of the object in a weightless environment is calculated directly from the external force F applied to the object, and a speed command is given to the winding motor.

すなわち、張力センサ206の出力の変動分から物体に
働く外力Fを検出し、予め測定しておいた物体の質量m
を用いて制御ソフト268において次式を用いて、物体
が無重力環境を模擬するために持つべき速度■を逐次計
算する。
That is, the external force F acting on the object is detected from the variation in the output of the tension sensor 206, and the mass m of the object measured in advance is
Using the following equation, the control software 268 sequentially calculates the velocity ■ that the object should have in order to simulate a zero-gravity environment.

仝” Fdt= m  (V   V o  )式中、△tは
サンプリングタイム、Voは初速度である。この式によ
り計算された速度■を巻取りモータ230への速度指令
として出力する。これによって巻取りモータ230や巻
胴、張力センサ206などの摩擦の影響を除去しつつ無
重力模擬を実現できる。
仝" Fdt=m (V Vo ) In the formula, △t is the sampling time, and Vo is the initial speed. The speed ■ calculated by this formula is output as a speed command to the winding motor 230. This causes the winding Zero-gravity simulation can be realized while eliminating the influence of friction of the take-up motor 230, winding drum, tension sensor 206, etc.

3.3.制御回路の具体的構成 前述のトルク制御方式I、■、■で用いた制御回路26
0の具体的構成について述べる。  −第43図にはこ
の制御回路260の構成例が示される。図示のように、
この制御回路260は巻取りモータ230と張力センサ
206と共に閉ループを構成して、張力指令値を目標値
とする定価制@(レギュレータ)を行うものである。
3.3. Specific configuration of control circuit Control circuit 26 used in torque control method I, ■, ■ mentioned above
The specific configuration of 0 will be described. - FIG. 43 shows an example of the configuration of this control circuit 260. As shown,
This control circuit 260 constitutes a closed loop together with the winding motor 230 and the tension sensor 206, and performs a fixed price system @ (regulator) with the tension command value as the target value.

この構成例においては、張力センサ206は物体の重力
とワイヤに掛かる目標張力とが釣り合った状態の時に零
値を張力値として制御回路260に与えるよう、張力セ
ンサ増幅器内で零点調整がされている。したがって張力
センサ206からの出力値は零からの変動値(すなわり
目標張力からの変動幅)となる。これに対応して制御ソ
フト261.262.263からの張力指令値は摩擦等
の補償を行う場合には零からの変動値(オフセット値)
となっている。
In this configuration example, the tension sensor 206 is zero-adjusted in the tension sensor amplifier so that a zero value is given to the control circuit 260 as a tension value when the gravity of the object and the target tension applied to the wire are balanced. . Therefore, the output value from the tension sensor 206 is a fluctuation value from zero (ie, a fluctuation range from the target tension). Correspondingly, the tension command value from the control software 261.262.263 is a fluctuation value (offset value) from zero when compensating for friction etc.
It becomes.

第43図に示されるように、制御回路260は比較部2
70、オブザーバ271、フィードバックゲイン調整部
272、積分器273,274等を含み構成される。比
較部270は張力センサ206で検出された検出値と制
御ソフトからの張力指令値を比較してその差分である張
力変動値を出力する。オブザーバ271は巻取りモータ
230や張力センサ206の伝達関数に基づき設計され
て、重要な状態変数である巻取りモータ230の加速度
を上記の張力変動値とフィードバックされたトルク指令
値から推定する。
As shown in FIG. 43, the control circuit 260
70, an observer 271, a feedback gain adjustment section 272, integrators 273, 274, and the like. The comparison unit 270 compares the detection value detected by the tension sensor 206 and the tension command value from the control software, and outputs a tension fluctuation value that is the difference between the two. The observer 271 is designed based on the transfer function of the winding motor 230 and the tension sensor 206, and estimates the acceleration of the winding motor 230, which is an important state variable, from the tension fluctuation value and the feedback torque command value.

フィードバックゲイン調整部272は、オブザーバ27
1から張力変動値と推定された加速度が、また積分器2
73からトルク指令値がフィ−ドパツクされて入力され
ており、これらの値に基づきトルク指令値、モータ加速
度、張力変動値のフィードバックゲインを調整し、現代
制御理論を用いて系全体の応答性や安定性を調整するこ
とができるよう構成される。
The feedback gain adjustment unit 272
The tension fluctuation value and the estimated acceleration from 1 are also input to integrator 2.
The torque command value is input as a feed pack from 73, and based on these values, the feedback gain of the torque command value, motor acceleration, and tension fluctuation value is adjusted, and the responsiveness of the entire system is adjusted using modern control theory. Constructed so that stability can be adjusted.

積分器273はフィードバックゲイン調整部272の出
力信号が入力され、その定常偏差を解消してトルク指令
値を出力するものであり、積分器274は積分器273
のトルク指令値が入力され、これから制御対象がもとも
と持つ微分要素をキャンセルして巻取りモータ230に
与えるものである。
The integrator 273 receives the output signal of the feedback gain adjustment section 272, eliminates the steady-state deviation, and outputs a torque command value.
The torque command value is inputted, and the differential element originally possessed by the controlled object is canceled and applied to the winding motor 230.

次に前述のトルク制御方式IV、V、VIで用いた制御
回路264の具体的構成について述べる。
Next, the specific configuration of the control circuit 264 used in the torque control methods IV, V, and VI described above will be described.

第44図にはこの制御回路264の構成例が示される。FIG. 44 shows an example of the configuration of this control circuit 264.

この構成例では制御対象となる巻取りモータ230や張
力センサ206の表し方が前述の第43図のものと異な
っており、それに応じて制御回路(図中の点線の内側)
の構成が異なったものとなっている。この構成例におい
ても張力センサ206は重力と張力−が釣り合った時の
出力値を零に設定している。従って検出出力は零からの
変動値として出力される。
In this configuration example, the winding motor 230 and tension sensor 206 that are to be controlled are expressed differently from those shown in FIG. 43, and accordingly the control circuit (inside the dotted line in the figure)
have different configurations. Also in this configuration example, the tension sensor 206 has an output value set to zero when gravity and tension are balanced. Therefore, the detection output is output as a fluctuation value from zero.

フィードバックゲイン調整部275はトルク指令値、張
力変動値のフィードバックゲインを調整し、現代制御理
論を用いて系全体の応答性や安定性を調整できるように
なっている。積分器273は外乱に対する定常偏差を解
消するためのものである、。
The feedback gain adjustment section 275 adjusts the feedback gain of the torque command value and the tension fluctuation value, and can adjust the responsiveness and stability of the entire system using modern control theory. The integrator 273 is for eliminating steady-state deviation due to disturbance.

4、シミュレーション計算システム 以上に説明した無重力模擬実験システムでは複数のワイ
ヤで宇宙ロボットのアームを常に一定の張力で吊って重
力をキャンセルしており、それにより無重力状態を模擬
している。
4. Simulation calculation system In the zero-gravity simulation experiment system described above, the arm of the space robot is suspended with a constant tension using multiple wires to cancel gravity, thereby simulating a zero-gravity state.

宇宙ロボットのベース部がどのように動作するかはアー
ムの動作の反作用を考慮しなければならず、これを考慮
しつつ計算によってベース部の動作データを生成する必
要がある。またアームを吊るワイヤは、常に鉛直方向に
向く必要があるため、吊りアーム部はアームの動きに追
従して動く必要がある。
How the base of a space robot moves requires consideration of the reaction of the arm's movement, and it is necessary to generate movement data for the base through calculations while taking this into account. Furthermore, since the wire for suspending the arm must always be oriented in the vertical direction, the suspension arm section must move to follow the movement of the arm.

これらアーム、ベース部、吊りアーム部などの動作デー
タの計算量は非常に多い。またこのような宇宙ロボット
はベース部、アーム、吊りアーム部等を動かすモータの
数が多いため、それらを制御するための計算量も非常に
多い。このため、これらの計算を効率的に行えるシミュ
レーション計算機システムが必要となる。
The amount of calculation required for the operation data of these arms, base portions, hanging arm portions, etc. is extremely large. Furthermore, since such a space robot has a large number of motors that move the base, arm, suspension arm, etc., the amount of calculation required to control them is extremely large. Therefore, a simulation computer system that can efficiently perform these calculations is required.

4.1.システム構成I システム構成■は高機能計算機と複数の制御用計算機を
用いてシステムを構成したものであり、−−前述のオフ
ライン方式の無重力模擬実験システムに適用されるもの
である。
4.1. System configuration I System configuration (2) is a system configured using a high-performance computer and a plurality of control computers, and is applied to the offline zero-gravity simulation experiment system described above.

このシステム構成Iが第45図に示される。図中、41
はワークステーションなどの高機能計算機であり、第2
図におけるシミュレーションデータ作成部に相当する。
This system configuration I is shown in FIG. In the figure, 41
is a high-performance computer such as a workstation, and
This corresponds to the simulation data creation section in the figure.

42.43はリアルタイム処理に適したパーソナルコン
ピュータなどの制御用計算機であり、高機能計算機41
とR5−232Cを用いてデータの授受を行うと共に、
制御用計算機42.43相互間はPIO(パラレル入出
力)チャネルで接続されていて同期通信を行うことが可
能になっている。
42.43 is a control computer such as a personal computer suitable for real-time processing, and is a high-performance computer 41.
and R5-232C to exchange data,
The control computers 42 and 43 are connected to each other by a PIO (parallel input/output) channel, making it possible to perform synchronous communication.

制御用計算機42は宇宙ロボットの左右のアームのサー
ボ機構および無重力模擬装置の左右の吊りアーム部のサ
ーボ機構を制御するようになっている。また制御用計算
機43は宇宙ロボットのベースを支持する無重力模擬装
置の本体支持駆動部202のサーボ機構および張カ一定
制御を行う張力機構の制御部を制御するようになってい
る。
The control computer 42 is designed to control the servo mechanisms of the left and right arms of the space robot and the servo mechanisms of the left and right suspension arms of the weightless simulator. The control computer 43 also controls the servo mechanism of the main body support drive section 202 of the weightless simulator that supports the base of the space robot and the control section of the tension mechanism that performs constant tension control.

このシステム動作が以下に説明される。まず、高機能計
算機は宇宙ロボットのモデル作成、運動解析、ロボット
が実際に動作できるデータと、これらのデータをもとに
吊りアーム部の動作データとを作成するものであり、前
述(1,1,3,)オフラインデータ作成法で説明した
シミュレーションデータ作成部に相当する処理を行う。
This system operation is explained below. First, the high-performance computer is used to create a model of the space robot, perform motion analysis, create data that allows the robot to actually operate, and create motion data for the suspension arm based on these data. , 3,) Performs processing equivalent to the simulation data creation section described in offline data creation method.

この高機能計算機41により宇宙ロボットと無重力模擬
装置に関する全ての動作データが生成されることになる
This high-performance computer 41 will generate all operational data regarding the space robot and the zero-gravity simulator.

これらの動作データはR3−232Cを用いて各制御用
計算機42.43に送信される。各制御用計算機42.
43は受信したデータをロボットの各関節のサーボ制御
ボードの指示値に変換する処理を行って、各サーボ制御
ボードに送り、ロボットを動作させるが、この際、パラ
レル入出力チャネルを介して制御用計算機42.43間
で同期を取り、ベース部、アーム、吊りアーム部が強調
的に動作するように制御を行う。また制御用計算機43
は張力機構の制御を独立的に行う。
These operating data are transmitted to each control computer 42,43 using R3-232C. Each control computer 42.
43 converts the received data into instruction values for the servo control boards of each joint of the robot, and sends them to each servo control board to operate the robot. The computers 42 and 43 are synchronized and controlled so that the base section, arm, and suspension arm section operate in an accentuated manner. Also, the control computer 43
independently controls the tension mechanism.

4.2.システム構成■ システム構成■は複数の制御用計算機を用いたものであ
る。
4.2. System configuration ■ System configuration ■ uses multiple control computers.

このシステム構成■が第46図に示される。図中、44
.45.46はいずれも制御用計算機であり、この構成
では3台の制御用計算機44〜46がロボットの制御と
各部分の動作データの作成を分担して行い、データ作成
に伴う負荷の分散を図っている。ここで左アーム用制御
計算機44は左アーム用サーボ機構と左吊りアームサー
ボ機構の制御を行い、右アーム用制御用計算機46は右
アームのサーボ機構と右吊りアームのサーボ機構の制御
を行い、本体用制御用計算機は本体部サーボ機構と張力
制御部の制御を行うようになっている。
This system configuration (2) is shown in FIG. In the figure, 44
.. 45 and 46 are all control computers, and in this configuration, the three control computers 44 to 46 share control of the robot and creation of operation data for each part, distributing the load associated with data creation. I'm trying. Here, the left arm control computer 44 controls the left arm servo mechanism and the left hanging arm servo mechanism, and the right arm control computer 46 controls the right arm servo mechanism and the right hanging arm servo mechanism. The main body control computer is designed to control the main body servo mechanism and tension control section.

本体用制御用計算機45とアーム用制御用計算144.
46 間ハRS −232Cテデータ授受が可能な共に
、パラレル入出力チャネルで同期通信が行えるようにな
っている。
Main body control computer 45 and arm control calculation 144.
It is possible to send and receive RS-232C data between 46 and 50 meters, and synchronous communication can be performed using parallel input/output channels.

このシステム■の動作を以下に説明する。The operation of this system (2) will be explained below.

まず、宇宙ロボットのベース部に関する制御系を受は持
つ計算機が宇宙ロボットのモデル作成、運動解析を行い
、ベース部の動作を決定する。このベース部の動作が決
定されないと、吊りアーム関係の動作は決定することが
できないので、アーム用制御用計算機44.46はベー
ス用制御用計算機45によるベース部動作決定を待つ。
First, a computer that controls the control system for the space robot's base creates a model of the space robot, performs motion analysis, and determines the movement of the base. Unless the operation of the base section is determined, the operation related to the hanging arm cannot be determined, so the arm control computers 44 and 46 wait for the base control computer 45 to determine the operation of the base section.

ベース部の動作が決定されると、そのデータはR3−2
32Cを用いてアーム用制御用計算機44.46に送信
される。アーム用制御用計算機は受信したベース部動作
データに基づきアームと吊りアーム部に関する動作デー
タの生成を行う。
Once the operation of the base is determined, the data is transferred to R3-2
32C to the arm control computers 44 and 46. The arm control computer generates motion data regarding the arm and the hanging arm based on the received base motion data.

アーム用制御用計算機44.46におけるアーム関係の
動作データ生成が終了すると、各制御用計算機44〜4
6はパラレル入出力チャネルを介して互いに同期をとり
ながら、宇宙ロボットと無重力模擬装置を動作させる。
When arm control computers 44 and 46 finish generating arm-related operation data, each control computer 44 to 4
6 operates the space robot and the weightless simulator while synchronizing each other via parallel input/output channels.

この際、各計算機44〜46は各動作データをサーボ機
構部への指示値に変換する処理を行う。
At this time, each of the computers 44 to 46 performs a process of converting each operation data into an instruction value to the servo mechanism section.

以上に説明した無重力模擬実験システムは多関節構造体
が無重力の宇宙空間で示す挙動を地上で模擬するための
ものであったが、勿論これに限らず、張力一定吊り機構
の張力値を適当に選べば、例えば月面などの弱重力環境
で多関節構造体が示す挙動を模擬することもできる。
The zero-gravity simulation experiment system described above was intended to simulate the behavior of a multi-jointed structure in zero-gravity space on the ground, but it is of course not limited to this, and the tension value of the constant-tension suspension mechanism can be adjusted appropriately. If chosen, it can also simulate the behavior of articulated structures in low-gravity environments, such as the lunar surface.

[発明の効果] 以上説明したように、本発明によれば、巻取り方式によ
る張力一定吊り機構のモータ制御装置をを提供できる。
[Effects of the Invention] As described above, according to the present invention, it is possible to provide a motor control device for a constant tension hanging mechanism using a winding method.

このモータ制御装置による張力一定吊り機構を用いれば
、地上の実験室内において3次元無重力空間に近い環境
を作り出す無重力模擬実験装置を実現することができる
。これにより対象の無重力空間での動作の模擬的実験を
長時間にわたり繰り返して行うことができるので、対象
を構成しているセンサ系、アクチュエータ系、制御系等
の無重力空間における性能を入念に事前評価することが
できるようになり、より信頼性の高い宇宙ロボット等の
ハードウェアを構成することが可能となる。
By using a constant tension suspension mechanism using this motor control device, it is possible to realize a zero-gravity simulation experiment device that creates an environment close to a three-dimensional zero-gravity space in a laboratory on the ground. This makes it possible to repeatedly conduct simulation experiments of the target's operation in zero-gravity space over a long period of time, allowing for careful preliminary evaluation of the performance of the sensor system, actuator system, control system, etc. in zero-gravity space that makes up the target. This makes it possible to construct more reliable hardware such as space robots.

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

第1図は本発明に係る原理説明図、 第2図はオフライン方式無重力模擬実験システムIの処
理概要を説明する図、 第3図は第2図システムのハードウェア概念を説明する
図、 第4図は第2図シスチームの具体的なハードウエア構成
の斜視図、 第5図は第4図装置の上面図、 第6図は第4図装置の側面図、 第7図はアームの関節構成を説明する図、第8図は各種
の吊り張力調整方式の説明図、第9図はリンクの鉛直振
動成分の対処方法を説明する説明図、 第1O図はアームの模式構成を示す図、第11図はジン
バルの構成を示す図、 第12図はカウンタバランサの構成を説明する図、 第13図は巻取り機構部の正面図、 第14図は巻取り機構部の側面図、 第15図は巻取り機構部の上面図、 第16図は各種の張力検出方式を説明する図、 第17図は張力検出機構の原理を説明する図、 第18図は吊りアームの関節構成を説明する図、 第19図は本体支持駆動部の自由度構成を説明する図、 第20図は機構部全体の自由度を説明する図、 第21図は運動解析ソフトへの入出力を説明する図、 第22図は吊り方向をフィードフォワード的に鉛直保持
する制御系の処理概念を説明する図、第23図はオフラ
イン方式無重力模擬実験システムHの処理概念を説明す
る図、 第24図は光学式角度検出センサの原理を説明する図、 第25図および第26′図は分力検出センサを説明する
図、 第27図はオンライン方式無重力模擬実験システムIの
処理概念を説明する図、 第28図は多関節構造体ベースのアーム取付は部に設置
された6自由度カセンサを説明する図、 第29図は多関節構造体ベースを動かすアルゴリズムを
説明する図、 第30図はオンライン方式無重力模擬実験システム■の
処理概念を説明する図、 第31図は第30図システムHの具体的なハードウェア
構成を示す斜視図、 第32図は重心鉛直線上を吊る吊り方式の原理を説明す
る図、 第33図は静力学的釣合いの原理により吊り位置、張力
値の決定法を説明する図、 第34図はカウンタバランサを用いた折衷的な吊り方式
を説明する図、 第35図は吊り方向鉛直保持のアルゴリズムを説明する
図、 第36図〜第41図はそれぞれ巻取りモータのトルク制
御方式■〜■を説明するシステム概要図、 第42図は巻取りモータの速度制御方式を説明するシス
テム概要図、 第43図、第44図はそれぞれは巻取りモータ制御用の
制御回路の構成例を示すブロック図、第45図は無重力
模擬実験装置の計算機システム構成Iを示す図、および
、 第46図は無重力模擬実験装置の計算機システム構成■
を示す図である。 図において、 l・・・シミュレーションデータ作成部、2・・・無重
力模擬装置、3・−・多関節構造体、11・・・多関節
構造体数字モデル、12・・・運動解析ソフト、13・
・・シミュレーション表示ソフト、14・・・無重力模
擬装置用データ変換ソフト、21・・・無重力模擬制御
部、22・・・無重力模擬機構部、31・・・多関節構
造体制御部、32・−多関節構造体機構部、41・・・
高機能計算機、42〜46・・・制御用計算機、201
・・・張力一定吊り機構部、202・・・本体支持駆動
部、203・−・フレーム、204・・・2自由度ロボ
ット機構、205・・・ワイヤ巻取り機構、206・・
・張力センサ、207・・−ジンバル、208・・・6
自由度ロボット機構、210・・・ワイヤ、230・・
・減速機付きDCモータ、231・・・軸継手、232
・・・ボールスプライン、233 ;・・ボールスプラ
インナット、234・・・ボールスプライン軸、235
−・−巻胴、236・・・軸受取付板、237・・−突
起付きガイドローラ、238・・・ガイドローラ支持軸
、239・・・ガイドローラ用軸受、240・・・モー
タ取付板、241・・・支持用軸受、250.251・
・−ワイヤ案内ローラ、252・・・段違いローラ、2
53・・・板バネ、254・・−歪ゲージ、301.3
05−・・多関節構造体ベース部、302−・・多関節
機構部分、303・・・アーム、304・・−ハンド、
305・・・ベース、330・・・光学式角度検出セン
サ、331・・・発光体、340・・・分力検出センサ
、332・・・受光体、341・・・6自由度カセンサ
、342・・・玉軸受部、343・−・カバー、351
・・・6自由度カセンサ、260.264・・・制御回
路、261〜263.268・・・制御ソフト、265
・・−静止摩擦トルクオフセット生成手段、266・−
加算器、267・・・トルクオフセット生成手段、27
0・・・比較部、271・・・オブザーバ、272.2
75・・・フィードバック調整部、273.274・・
・積分器ハードウェア金体g+成 第3区 +散構肝今体の構成゛(上面図) 記曖 η4部金イ本の倶爪(イ則■図)ソンフの鉗貝頂
刺爪分の對処万式′ 第9図 浚’i:mの會号 アーム榎へ図 第16図 張力V史上if!+傷の斤理 電17FK N         ド ミト         7 @ @ K 倍 y會I′I解析ソフトの入出n 第21図 光′fバ角戻検出センワの原理図 第24図 竹刀主史山せンサ 第25図 分力挟出セ〉す(具(本イダ]) 第26図 腕の(1す射にII7’J);すう東に6臼由贋nvン
リ第28図 タタ関Wl構逍拝へ°−スΣ初η′■アルゴリス゛ム筒
29図 吊り轡41 〔991!Fl費禍息(年の吊り〕 φ1℃誼μ縁上Σ吊う方式の/!I理図第3企図 図19吊り方向鎧旦併倚のアルボ1ノス”へ第35図 虹177便悶鰻夏資礪部             軛
を力梗蒙装夏制胛邪トルフ制訴万式゛I 纂36図 1=、!7+ff*1llLII          
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覆躾夏制評郡トル7昂・j9狂万八゛■ 筐3B図 トルク制Op才久U 第39図 トルク刷谷P力式■ 第40図 トルク11作p方式■ 無111i[1接種部           無豐n撲
賀1滲・)卿即埋度計j御万へ L−−−、−」 171’l V71VO路ノI M (9’J第43図 Ko:γjン 制ケν口希っ講Aブタ“1 第44図 訂夏橙システム横ハI 第45図 酊算櫻システム構M’II 第46図
Fig. 1 is a diagram explaining the principle of the present invention; Fig. 2 is a diagram explaining the processing outline of the offline zero-gravity simulation system I; Fig. 3 is a diagram explaining the hardware concept of the system shown in Fig. 2; The figure is a perspective view of the specific hardware configuration of the system shown in Figure 2, Figure 5 is a top view of the device shown in Figure 4, Figure 6 is a side view of the device shown in Figure 4, and Figure 7 shows the joint configuration of the arm. Figure 8 is an explanatory diagram of various suspension tension adjustment methods, Figure 9 is an explanatory diagram illustrating how to deal with the vertical vibration component of the link, Figure 1O is a diagram showing the schematic configuration of the arm, and Figure 11 is an explanatory diagram of various suspension tension adjustment methods. The figure shows the configuration of the gimbal, Figure 12 illustrates the configuration of the counter balancer, Figure 13 is a front view of the winding mechanism, Figure 14 is a side view of the winding mechanism, and Figure 15 is a diagram explaining the configuration of the counter balancer. A top view of the winding mechanism, FIG. 16 is a diagram explaining various tension detection methods, FIG. 17 is a diagram explaining the principle of the tension detection mechanism, FIG. 18 is a diagram explaining the joint configuration of the hanging arm, Figure 19 is a diagram explaining the degree of freedom configuration of the main body support drive part, Figure 20 is a diagram explaining the degree of freedom of the entire mechanical part, Figure 21 is a diagram explaining input and output to the motion analysis software, The figure is a diagram explaining the processing concept of the control system that maintains the hanging direction vertically in a feedforward manner, Figure 23 is a diagram explaining the processing concept of the offline zero-gravity simulation system H, and Figure 24 is the optical angle detection sensor. Figures 25 and 26' are diagrams explaining the component force detection sensor, Figure 27 is a diagram explaining the processing concept of the online zero gravity simulation system I, Figure 28 is a multi-joint Figure 29 is a diagram explaining the algorithm for moving the articulated structure base. Figure 30 is a diagram of the online zero-gravity simulation experiment system. Figure 31 is a diagram explaining the processing concept, Figure 30 is a perspective view showing the specific hardware configuration of system H, Figure 32 is a diagram explaining the principle of the hanging method suspended on the vertical line of the center of gravity, and Figure 33 is Figure 34 is a diagram explaining the method for determining the hanging position and tension value based on the principle of static balance. Figure 34 is a diagram explaining the eclectic suspension method using a counter balancer. Figure 35 is an algorithm for maintaining the hanging direction vertically. Figures 36 to 41 are system outline diagrams explaining the winding motor torque control methods ■ to ■, respectively; Figure 42 is a system outline diagram explaining the winding motor speed control method; 44 are block diagrams showing an example of the configuration of a control circuit for controlling the winding motor, FIG. 45 is a diagram showing the computer system configuration I of the zero-gravity simulation experiment device, and FIG. 46 is a block diagram showing a configuration example of the control circuit for controlling the winding motor. Device computer system configuration ■
FIG. In the figure, l... Simulation data creation unit, 2... Zero gravity simulator, 3... Multi-joint structure, 11... Multi-joint structure numerical model, 12... Motion analysis software, 13...
...Simulation display software, 14.. Data conversion software for zero gravity simulator, 21.. Zero gravity simulation control section, 22.. Zero gravity simulation mechanism section, 31.. Multi-joint structure control section, 32.- Multi-joint structure mechanism section, 41...
High-performance computer, 42-46...control computer, 201
... Constant tension hanging mechanism section, 202 ... Main body support drive section, 203 ... Frame, 204 ... 2 degrees of freedom robot mechanism, 205 ... Wire winding mechanism, 206 ...
・Tension sensor, 207...-Gimbal, 208...6
Degree of freedom robot mechanism, 210... wire, 230...
・DC motor with reducer, 231...Shaft coupling, 232
...Ball spline, 233; ...Ball spline nut, 234...Ball spline shaft, 235
- Winding drum, 236... Bearing mounting plate, 237... Guide roller with protrusion, 238... Guide roller support shaft, 239... Bearing for guide roller, 240... Motor mounting plate, 241 ...Support bearing, 250.251・
・-Wire guide roller, 252... Uneven roller, 2
53...Plate spring, 254...-Strain gauge, 301.3
05--Multi-joint structure base part, 302--Multi-joint mechanism part, 303--Arm, 304--Hand,
305... Base, 330... Optical angle detection sensor, 331... Light emitter, 340... Component force detection sensor, 332... Photoreceptor, 341... 6 degrees of freedom force sensor, 342...・・Ball bearing part, 343・・・Cover, 351
...6 degree of freedom sensor, 260.264...Control circuit, 261-263.268...Control software, 265
...- Static friction torque offset generation means, 266.-
Adder, 267... Torque offset generation means, 27
0... Comparison section, 271... Observer, 272.2
75...Feedback adjustment section, 273.274...
・Constitution of integrator hardware metal body g + formation 3rd section + disseminated liver body ゛ (top view) Memory η 4 part metal I book's claw (I rule ■ diagram) Sonfu's forceps top pricking claw Fig. 9: 浚'i: m no. arm Enoki Fig. 16 Tension V history if! + Wounded Kawa Riden 17FK N Domito 7 @ @ K Double y meeting I'I analysis software input/output n Fig. 21 Principle diagram of light'f bar angle return detection senwa Fig. 24 Shinai main Shiyama sensa Fig. 25 Part force pinching se ΣFirst η'■ Algorithm cylinder 29 Diagram hanging 41 [991!Fl cost misfortune (year's hanging)] Figure 35 Rainbow 177 Flights of Agony Eel Natsushi Tsubobbe The yoke is forced upon her, the summer system, the evil Torf is sueed, and the banal formula ゛I 绂 36Figure 1=,!7+ff*1llLII
177 Compound Obfuscation NIm'] Shobu Torufuji IIM
He゛■ 輌会normkiatsuki structure section 餠豐n greetings covering the summer system review county toru 7昂・j9 Crazy Man8゛■ Box 3B figure Torque system OP SaikyuU Figure 39 Torque printing valley P power formula■ Figure 40 Torque 11 production p method Figure 43 Ko: γjn system ke ν mouth kiss A pig "1 Figure 44 Edited summer orange system side-high I Figure 45 Drunken system structure M'II Figure 46

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1、対象物体(101)を巻取り機構(102)から垂
下した吊り線(103)で吊り、該巻取り機構で該吊り
線を巻取り/巻戻しすることで該吊り線の張力を一定に
維持する張力一定吊り機構において、 該吊り線に掛かる張力を検出する張力センサ(104)
と、 その張力センサの検出出力に基づきその検出出力の変動
分を減少させる該巻取り機構の駆動モータのトルク指令
値を算出する制御回路(106、109)と を備え、該トルク指令値を該駆動モータに与えるよう構
成された張力一定吊り機構のモータ制御装置。 2、該巻取り機構の駆動モータの回転始動時に、該張力
センサの検出出力に、吊り機構で生じる静止摩擦を相殺
するための静止摩擦オフセットを付加する静止摩擦オフ
セット付加手段(107)を更に備え、該制御回路は該
静止摩擦オフセットを付加した該張力センサの検出出力
に基づいて該トルク指令値を算出するように構成された
請求項1記載の張力一定吊り機構のモータ制御装置。 3、該駆動モータの回転時に、該張力センサの検出出力
に、吊り機構で生じる動摩擦を相殺するための動摩擦オ
フセットを付加する動摩擦オフセット付加手段(108
)を更に備え、該制御回路は該動摩擦オフセットを付加
した該張力センサの検出出力に基づいて該トルク指令値
を算出するように構成された請求項1または2記載の張
力一定吊り機構のモータ制御装置。 4、該巻取り機構の駆動モータの回転始動時に、該制御
回路で算出されたトルク指令値に、吊り機構で生じる静
止摩擦を相殺するための静止摩擦トルクオフセットを付
加する静止摩擦トルクオフセット付加手段(110)を
更に備え、該静止摩擦トルクオフセットを付加したトル
ク指令値を該駆動モータに与えるように構成された請求
項1記載の張力一定吊り機構のモータ制御装置。 5、該駆動モータの回転時に、該制御回路で算出された
トルク指令値に、吊り機構で生じる動摩擦を相殺するた
めの動摩擦トルクオフセットを付加する動摩擦トルクオ
フセット付加手段(111)を更に備え、該動摩擦トル
クオフセットを付加したトルク指令値を該駆動モータに
与えるように構成された請求項1または4記載の張力一
定吊り機構のモータ制御装置。 6、該動摩擦に係わるオフセット値は駆動モータの回転
速度に応じて変わる値となっている請求項3または5記
載の張力一定吊り機構のモータ制御装置。 7、対象物体(101)を巻取り機構(102)から垂
下した吊り線(103)で吊り、該巻取り機構で吊り線
を巻取り/巻戻しすることで該吊り線に掛かる張力を一
定に維持する張力一定吊り機構において、 該吊り線に掛かる張力を検出する張力センサ(104)
と、 該対象物体を吊る吊り線の張力を一定にする対象物体の
上下速度を、該張力センサからの検出出力の変動分と該
対象物体の質量から算出し、その算出された速度から巻
取り機構の駆動モータ(105)の回転速度を求める回
転速度計算手段(112)とを備え、 この回転速度計算手段で求めた回転速度で該駆動モータ
を回転駆動するように構成された張力一定吊り機構のモ
ータ制御装置。 8、上記制御回路は、 該張力センサの検出出力の変動分から巻取り機構の駆動
モータの加速度を推定するオブザーバと、 該オブザーバで推定された加速度から駆動モータのトル
ク指令値をフィードバックゲインを調整しつつ発生する
フィードバックゲイン調整部と、 該トルク指令値の定常偏差を解消しまた制御対象がもと
もと持つ微分要素をキャンセルして該駆動モータに出力
する積分回路とを含み構成される請求項1〜6の何れか
に記載の張力一定吊り機構のモータ制御装置。 9、上記制御回路は、 該張力センサの検出出力の変動分から巻取り機構の駆動
モータのトルク指令値をフィードバックゲインを調整し
つつ発生するフィードバックゲイン調整部と、 該トルク指令値の定常偏差を解消して該駆動モータに出
力する積分回路とを含み構成される請求項1、4、5ま
たは6記載の張力一定吊り機構のモータ制御装置。
[Claims] 1. The target object (101) is suspended by a hanging wire (103) hanging from a winding mechanism (102), and the hanging wire is wound/unwound by the winding mechanism to suspend the object (101). In a constant tension suspension mechanism that maintains the tension of the wire at a constant level, a tension sensor (104) detects the tension applied to the suspension wire.
and a control circuit (106, 109) that calculates a torque command value for the drive motor of the winding mechanism that reduces the variation in the detection output based on the detection output of the tension sensor, and calculates the torque command value for the drive motor of the winding mechanism. A motor control device for a constant tension suspension mechanism configured to apply a constant tension to a drive motor. 2. Further comprising static friction offset adding means (107) for adding a static friction offset to the detection output of the tension sensor to offset the static friction generated in the hanging mechanism when the drive motor of the winding mechanism starts rotating. 2. The motor control device for a constant tension suspension mechanism according to claim 1, wherein the control circuit is configured to calculate the torque command value based on the detected output of the tension sensor to which the static friction offset is added. 3. Dynamic friction offset adding means (108) for adding a kinetic friction offset for offsetting the kinetic friction generated in the suspension mechanism to the detection output of the tension sensor when the drive motor rotates;
), wherein the control circuit is configured to calculate the torque command value based on the detected output of the tension sensor to which the dynamic friction offset is added. Device. 4. Static friction torque offset adding means for adding a static friction torque offset for offsetting static friction generated in the suspension mechanism to the torque command value calculated by the control circuit when the drive motor of the winding mechanism starts rotating. 2. The motor control device for a constant tension suspension mechanism according to claim 1, further comprising: (110) and configured to give a torque command value to which the static friction torque offset is added to the drive motor. 5. Further comprising a dynamic friction torque offset adding means (111) for adding a dynamic friction torque offset for offsetting the dynamic friction generated in the suspension mechanism to the torque command value calculated by the control circuit when the drive motor rotates; 5. The motor control device for a constant tension suspension mechanism according to claim 1, wherein the motor control device is configured to provide the drive motor with a torque command value to which a dynamic friction torque offset is added. 6. The motor control device for a constant tension suspension mechanism according to claim 3 or 5, wherein the offset value related to the dynamic friction is a value that changes depending on the rotational speed of the drive motor. 7. Suspend the target object (101) with a hanging wire (103) hanging from a winding mechanism (102), and keep the tension on the hanging wire constant by winding/unwinding the hanging wire with the winding mechanism. A tension sensor (104) that detects the tension applied to the suspension wire in the constant tension suspension mechanism that maintains the constant tension.
Calculate the vertical speed of the target object to keep the tension of the hanging wire that suspends the target object constant based on the variation in the detection output from the tension sensor and the mass of the target object, and perform winding from the calculated speed. a constant tension suspension mechanism, comprising a rotational speed calculation means (112) for determining the rotational speed of a drive motor (105) of the mechanism, and configured to rotate the drive motor at the rotational speed determined by the rotational speed calculation means. motor control device. 8. The control circuit includes an observer that estimates the acceleration of the drive motor of the winding mechanism from fluctuations in the detected output of the tension sensor, and a feedback gain that adjusts the torque command value of the drive motor from the acceleration estimated by the observer. and an integrating circuit that eliminates a steady-state deviation of the torque command value and cancels a differential element originally possessed by the controlled object and outputs the same to the drive motor. A motor control device for a constant tension suspension mechanism according to any one of the above. 9. The control circuit includes a feedback gain adjustment section that generates a torque command value of the drive motor of the winding mechanism based on fluctuations in the detected output of the tension sensor while adjusting a feedback gain, and eliminates the steady deviation of the torque command value. 7. The motor control device for a constant tension suspension mechanism according to claim 1, further comprising an integrating circuit for outputting the same to the drive motor.
JP2289845A 1990-09-07 1990-10-26 Motor controller for fixed-tension suspended mechanism Pending JPH04190691A (en)

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JP23805290 1990-09-07

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