JPH04331084A

JPH04331084A - 宇宙ロボットの制御方法

Info

Publication number: JPH04331084A
Application number: JP3130571A
Authority: JP
Inventors: Shiro Nagashima; 史朗永嶋
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1991-05-02
Filing date: 1991-05-02
Publication date: 1992-11-18

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、宇宙ロボットの制御方
法に関し、更に詳しく言えば、人工衛星本体と、マニピ
ュレータと、３軸モーメンタムホイールとを具備した宇
宙ロボットに用いられ、特に、人工衛星本体の姿勢制御
を考慮した宇宙ロボットの制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、人工衛星本体と、マニピュレータ
とを有する宇宙ロボットが知られていた。このような宇
宙ロボットを制御するには、非常に多くの運動方程式を
解く必要がある。

【０００３】前記の運動方程式を解く方法としては、例
えば、宇宙ロボットの運動方程式をそのままの形で、単
純に解く方法が知られていた。

【０００４】このような方法で運動方程式を解く場合、
マニピュレータや衛星本体の質量などの物性値や関節間
距離などのパラメータを、シリアルにメモリ上に展開し
て処理を行っていた。

【０００５】ところで、上記の方法では、膨大な計算量
が必要であり、高速の大型計算機を用いて処理しなけれ
ばならなかった。しかし実際には、このような大型計算
機を人工衛星に搭載することはできない。

【０００６】そこで例えば、衛星としての本体を持つ宇
宙ロボットを、地上でシュミレートしてから、オフライ
ン的に宇宙ロボットを動作させることが行われていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来のも
のにおいては、次のような課題があった。（１）　宇宙ロボットの運動方程式を、そのままの形で
単純に解く方法では、膨大な計算量が必要であり、その
ためには高速の大型計算機で処理しなければならない。

【０００８】しかし、人工衛星に搭載している計算機の
処理能力は小さいため、従来の方法では、人工衛星上で
処理できる計算能力を越えてしまう。このため、宇宙ロ
ボット上でのオンライン処理ができなかった。

【０００９】（２）　従来、宇宙ロボットの制御を行う
際、マニピュレータや、人工衛星本体の質量などの物性
値、あるいは関節間距離などのパラメータを、メモリ上
に展開するが、この時、シリアルにメモリ上で展開して
いた。

【００１０】このため、各パラメータは、例えば、分岐
するマニピュレータが存在する場合などに、そのパラメ
ータ部分のみが、他のパラメータと形式が異なることが
あった。

【００１１】このようなことがあると、マニピュレータ
の構造に依存したアルゴリズムで処理しなければならず
、処理が複雑、かつ困難であった。

【００１２】本発明は、このような従来の課題を解決し
、宇宙ロボットのオンラインでの協調制御を、３軸モー
メンタムホイールを用いて可能にすると共に、マニピュ
レータの構造に依存しない汎用的なアルゴリズムを使用
できるようにすることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】図１は本発明の原理図で
あり、図中、１は人工衛星本体、２は３軸モーメンタム
ホイール、３はマニピュレータ、４はマニピュレータ制
御装置、５は主制御部、６は３軸モーメンタムホイール
制御装置を示す。

【００１４】本発明は上記の課題を解決するため、次の
ように構成した。（１）　人工衛星本体１と、３軸モーメンタムホイール
２と、マニピュレータ３を具備した宇宙ロボットの制御
方法において、前記マニピュレータ３の動作による外乱
を算出し、算出したデータを用いて、３軸モーメンタム
ホイール２を制御することにより、人工衛星本体の姿勢
を保持するようにした。

【００１５】（２）　人工衛星本体１の姿勢を保持しつ
つ、マニピュレータ３の動作のために生じる人工衛星本
体１の移動速度を算出し、算出したデータを用いて、マ
ニピュレータ３を制御する。

【００１６】（３）　人工衛星本体１の姿勢を保持しつ
つ、マニピュレータ３の動作のために必要な各関節のト
ルクを算出し、算出したデータを用いて、マニピュレー
タ３を制御する。

【００１７】（４）　人工衛星本体１の姿勢を保持しつ
つ、マニピュレータ３の動作によって、人工衛星本体１
に加えられる力を算出し、算出したデータを用いて、マ
ニピュレータ３を制御する。

【００１８】（５）　人工衛星本体１、マニピュレータ
３の各リンク、及び３軸モーメンタムホイール２の各ホ
イールに関するデータを、２分木のデータとして、メモ
リ内に蓄え、そのデータを用いて再帰的演算手法により
、３軸モーメンタムホイール２の各ホイールに必要とな
る角速度を算出し、算出したデータを用いて、３軸モー
メンタムホイール２を制御する。

【００１９】（６）　人工衛星本体１、マニピュレータ
３の各リンク、及び３軸モーメンタムホイール２の各ホ
イールに関するデータを、２分木のデータとしてメモリ
内に蓄え、そのデータを用いて、再帰的演算手法により
、３軸モーメンタムホイールに必要となるトルクを算出
し、算出したデータを用いて、３軸モーメンタムホイー
ル２を制御する。

【００２０】

【作用】上記構成に基づく本発明の作用を、図１を参照
しながら説明する。宇宙ロボットの制御を行う際、人工
衛星本体１内に設けられた主制御部５内で、各種の演算
処理を行ったり、あるいは各種の制御を行う。

【００２１】前記演算処理を行う場合は、マニピュレー
タ制御装置４から取り込んだ「関節角」、「関節角速度
」、「関節角加速度」等のデータを用いて処理する。

【００２２】前記制御を行う場合は、主制御部５からマ
ニピュレータ制御装置４に対しては、「人工衛星本体１
の移動速度」、「関節トルク」、「人工衛星本体に加え
る力」のデータを送る。

【００２３】マニピュレータ制御装置４では、前記のデ
ータを用いて、マニピュレータ（通常は複数）３を制御
する。

【００２４】また、主制御部５から３軸モーメンタムホ
イール制御装置６に対しては、「ホイール角速度」、「
ホイール駆動トルク」のデータを送る。３軸モーメンタ
ムホイール制御装置６では、前記のデータを用いて、３
軸モーメンタムホイール２を制御する。

【００２５】このような各制御は、オンラインでの協調
制御として行われる。そして、３軸モーメンタムホイー
ル２の制御により、人工衛星本体１の姿勢を保持した状
態で、マニピュレータ制御装置４によるマニピュレータ
３の制御を行うことが可能になる。（上記構成（１）〜
（６）に対応）

【００２６】特に、上記構成（２）（３）（４）のよう
に構成したことにより、次のような作用がある。（ａ）　構成（２）について、速度制御のマニピュレー
タにおいて、もし、マニピュレータの制御装置がそれ自
身のベースの速度を知ることができなければ、それを制
御して、マニピュレータの手先を目標点に到達させるこ
とはできない。衛星本体の移動速度をマニピュレータ制
御装置に送ることにより、マニピュレータの手先を目標
点に到達させることを可能にする。

【００２７】（ｂ）　構成（３）について、トルク制御
のマニピュレータにおいて、目的のマニピュレータの動
作のために関節に必要なトルクを与えることは、基本的
なものである。この関節のトルク指令によってトルク制
御のマニピュレータは動作する。電気モータの場合など
では、このトルクはマニピュレータ制御装置内で電流値
または電圧値に換算し使用される。

【００２８】（ｃ）　構成（４）について、トルク制御
のマニピュレータにおいて、マニピュレータから失われ
る力がわからなければ、制御はできない。この失われる
力は衛星本体に加えられる力と同じものである。マニピ
ュレータ制御装置にこの失われる力を情報として与え、
その制御を可能にする。

【００２９】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。（実施例の説明）図２〜図７は、本発明の実施例を示し
た図であり、図２は宇宙ロボットの外観図、図３はマニ
ピュレータ及び３軸モーメンタムホイールの説明図、図
４は双腕宇宙ロボットの場合のデータ構造を示した図、
図５は主制御部の処理フローチャート、図６は順方向再
帰関数の処理順序を示した図、図７は逆方向再帰関数の
処理順序を示した図である。

【００３０】図中、図１と同符号は同一のものを示す。また、７はモーメンタムホイール、８はリンク、９は関
節を示す。

【００３１】本実施例の宇宙ロボットの外観は、図２の
ようになっている。この宇宙ロボットは、人工衛星本体
１に、複数のマニピュレータ３が設けてある。また、人
工衛星本体１の外側には、太陽電池やアンテナ等が設け
られている。

【００３２】更に、人工衛星本体１には、３軸モーメン
タムホイールが設けてあり（図２では見えない位置にあ
る）、これにより、人工衛星本体１の姿勢制御を行う。

【００３３】前記マニピュレータ及び３軸モーメンタム
ホイールは、例えば図３のようになっている。人工衛星
本体１に設けられた３軸モーメンタムホイール２は、例
えば、Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸（直交座標）の各軸方向に１つ
のモーメンタムホイール７を備えている。

【００３４】すなわち、Ｘ軸方向，Ｙ軸方向，Ｚ軸方向
に、それぞれ１個のモーメンタムホイール７を備え、こ
れらを独立に、駆動モータで回転させて、人工衛星本体
１の姿勢制御を行う。これらの制御は、３軸モーメンタ
ムホイール制御装置６（図１参照）により行う。

【００３５】マニピュレータ３は、複数のリンク８から
成り、各リンク８間には、関節９が設けられている。こ
のマニピュレータ３は、人工衛星本体１に複数設けられ
、複腕宇宙ロボットを構成している。

【００３６】前記複腕宇宙ロボットは、クローズしたル
ープ構造を持たない、任意の分岐するリンク構造を持つ
ものである。

【００３７】複腕宇宙ロボットの内、２つのマニピュレ
ータを備えた双腕宇宙ロボットについて、その制御を行
う際のデータ構造を図４に示す。

【００３８】人工衛星本体にシリアルなマニピュレータ
が、ただ１台搭載された場合には、その運動、制御の計
算にはシリアルなメモリを用いて行うことが最良である
と考えられる。

【００３９】しかし、複数のマニピュレータが１つの人
工衛星に搭載されている場合には、このようなメモリの
使用方法が最良とは限らない。そこで、本発明では、こ
のデータの保持に、２分木構造を用いた。図４は、この
２分木構造を、双腕宇宙ロボットの場合について示した
ものである。

【００４０】すなわち本手法では、汎用のアルゴリズム
を実現するために、データ構造を以下のようにする。ま
ず、個々のリンク関節のパラメータデータと３つのポイ
ンタより構成されるデータブロックを考える。図４では
、これをボックスで表現している。また、ポインタの種
類は親へのポインタと兄弟へのポインタと子へのポイン
タである。

【００４１】まず、子へのポインタは図４中各ボックス
の中で、上部に描かれたものである。兄弟へのポインタ
とは、各ボックスの中で、右側に描かれたものである。子へのポインタとは、各ボックスの中で左に描かれたも
のである。兄弟へのポインタと子へのポインタは、２分
木のポインタとして用いる。

【００４２】親へのポインタのポインタは、そのリンク
から見て、衛星に近い方のリンクのブロックを指す。本
手法では、親へのポインタのデータを参照する。これは
、後述するステップ０〜ステップ５の中で、ｐａｒｅｎ
ｔ（ｉ）　で示した。

【００４３】次に、主制御部の処理を、図５の処理フロ
ーチャート（モーメンタムホイールの制御及び関節角ト
ルクの算出手順）に基づいて説明する。

【００４４】図５に示したステップ０〜ステップ５は、
主制御部５の処理であり、■〜■は、主制御部５と、マ
ニピュレータ制御装置４、または３軸モーメンタムホイ
ール制御装置６との間で送受される情報（データ）を示
している。

【００４５】主制御部５において、処理を開始すると、
先ず定数の定義を行う（ステップ０）。次に、マニピュ
レータ制御装置４から送られてきた関節角、関節角速度
、関節角加速度のデータ■を用いて、ロボットのリンク
の位置、姿勢を決定する（ステップ１）。

【００４６】続いて、モーメンタムホイールの角速度を
決定（ステップ２）し、リンク０（衛星本体）の速度の
決定と、リンクｉの速度、角速度の決定（ステップ３）
を行う。

【００４７】その後、リンク０（人工衛星本体）の加速
度の決定と、リンクｉの加速度及び角加速度の決定を行
う（ステップ４）。

【００４８】次に、人工衛星本体に加えられる力の決定
と、関節ｉに必要なトルクの決定、及びモーメンタムホ
イールに必要なトルクの決定を行う（ステップ５）。

【００４９】以上の各ステップの処理を繰り返して行い
（ステップ１〜ステップ５）、宇宙ロボットの制御を行
う。

【００５０】上記の処理において、ステップ２の処理終
了後、３軸モーメンタムホイール制御装置６へ■の情報
（モーメンタムホイールへの角速度指令）を送り、３軸
モーメンタムホイール２を制御する。

【００５１】この制御により、人工衛星本体１の姿勢を
保持する。（請求項１、５に対応した制御）

【００５２
】また、ステップ３の処理終了後、マニピュレータ制御
装置４に対し、■の情報（マニピュレータベース速度情
報）を送り、マニピュレータ３を制御する。（請求項２に対応した制御）

【００５３】更に、ステップ５の処理終了後、マニピュ
レータ制御装置４に対して、■の情報（マニピュレータ
関節駆動トルク指令、衛星本体への力損失情報）を送り
、マニピュレータの制御を行う。（請求項３、４に対応
した制御）

【００５４】前記ステップ５の処理終了後、３軸モーメ
ンタムホイール制御装置６に対しても■の情報（モーメ
ンタムホイール駆動トルク指令）を送り、３軸モーメン
タムホイールを制御する。（請求項１、６に対応した制
御）

【００５５】図５に示した各ステップの処理について、
以下詳細に説明する。なお、再帰関数を用いている部分
では、ｉは対象となっているリンクを示し、ｐａｒｅｎ
ｔ（ｉ）　は、そのリンクの親リンクを示す。また、ｉ
＝０は、人工衛星本体を表わすものとする。

【００５６】以下に示す記号は、次の表１〜表３に示し
たとおり定義する。

【００５７】

【表１】

【００５８】

【表２】

【００５９】

【表３】

【００６０】（ステップ０）・・・定数の設定主制御部
５において、各種の制御を行う際の最初の処理として、
次のような定数の設定を行う。

【００６１】

【数１】

【００６２】なお、矢印は定数の設定を示し、矢印の右
側は、設定する定数を示す。

【００６３】（ステップ１）・・・ロボットのリンクの
位置・姿勢の決定この処理では、順方向再帰ループ（０＜ｉ）の処理を次
のようにして行う。

【００６４】

【数２】

【００６５】また、慣性行列の部分行列を、次のように
処理する。

【００６６】

【数３】

【００６７】（ステップ２）・・・モーメンタムホイー
ルの角速度決定この処理は、次の各ステップから成る。 ●モーメンタムホイールの角速度をすべて０として、サ
ブステップを実行する。 ●Ω００←Ω０　 ●Ｘ軸ホイールの角速度を１とし、他のモーメンタムホ
イールの角速度を０として、サブステップを実行する。 ●Ω０ｘ←Ω０　 ●Ｙ軸ホイールの角速度を１とし、他のモーメンタムホ
イールの角速度を０として、サブステップを実行する。 ●Ω０ｙ←Ω０　 ●Ｚ軸ホイールの角速度を１とし、他のモーメンタムホ
イールの角速度を０として、サブステップを実行する。 ●Ω０ｚ←Ω０　 ●各ホイールの角速度を次の式で求める。

【００６８】

【数４】

【００６９】また、ステップ２のサブステップとして次
の３つのステップがある。（サブステップ１）順方向再帰ループの初期値設定を次
のとおり行う。

【００７０】

【数５】

【００７１】（サブステップ２）順方向再帰ループ（０
＜ｉ）を次のとおり処理する。

【００７２】

【数６】

【００７３】（サブステップ３）次の演算を行う。

【００７４】

【数７】

【００７５】（ステップ３）・・・リンク０の速度の決
定・リンクｉの速度・角速度の決定このステップでは、次の処理を行う。

【００７６】

【数８】

【００７７】（ステップ４）・・・リンク０の加速度の
決定・リンクｉの加速度・角加速度の決定このステップ
では、順方向再帰ループの初期設定を最初に行う。その
処理は次のとおりである。

【００７８】

【数９】

【００７９】その後、順方向再帰ループ（０＜ｉ）の処
理を次のように行う。

【００８０】

【数１０】

【００８１】更に、次の処理を行う。

【００８２】

【数１１】

【００８３】（ステップ５）・・・人工衛星本体に加え
られる力の決定・関節ｉに必要なトルクの決定・モーメ
ンタムホイールに必要なトルクの決定このステップでは、逆方向再帰ループの処理を次のよう
に行う。

【００８４】

【数１２】

【００８５】また、逆方向再帰ループ（０＜ｉ）の処理
を次のように行う。

【００８６】

【数１３】

【００８７】更に、逆方向再帰ループ（０＜ｉ）の処理
を、次のように行う。

【００８８】

【数１４】

【００８９】上記の各ステップにより、宇宙ロボットの
制御を行うが、本実施例では、前記制御を行うに際し、
汎用アルゴリズムを用いて行う。以下、この汎用アルゴ
リズムについて、図６、図７を参照しながら説明する。

【００９０】先ず、再帰関数について説明する。例えば
図４に示したような２分木のデータの再帰関数による操
作の方法には、大きく分けて３つある。

【００９１】それは、「前置型操作」、「中置型操作」
、及び「後置型操作」の３つである。これは、関数の中
で、具体的処理の行われる部分の位置による区別である
。ここでは「前置型操作」の再帰関数を「順方向再帰関
数」、「後置型操作」の再帰関数を「逆方向再帰関数」
と呼ぶ。以下にその基本的手順を説明する。

【００９２】（順方向再帰関数の処理手順）・・・図６
参照順方向再帰関数の処理は、次の（１）〜（５）の順序で
行う。（１）　引数のポインタがヌルポインタの場合はリター
ンする。（２）　引数のポインタによって示されるデータを処理
する。（３）　引数のポインタによって示されるデータに附属
する右側（兄弟）へのポインタを引数にして、自分自身
を実行する。（４）　引数のポインタによって示されるデータに附属
する左側（子）へのポインタを引数にして、自分自身を
実行する。（５）　リターンする。この演算順序を図にすると、図６のようになる。

【００９３】（逆方向再帰関数の処理手順）・・・図７
参照逆方向再帰関数の処理は、次の（１）〜（５）の順序で
行う。（１）　引数のポインタがヌルポインタの場合はリター
ンする。（２）　引数のポインタによって示されるデータに附属
する右側（兄弟）へのポインタを引数にして、自分自身
を実行する。（３）　引数のポインタによって示されるデータに附属
する左側（子）へのポインタを引数にして、自分自身を
実行する。（４）　引数のポインタによって示されるデータを処理
する。（５）　リターンする。この演算順序を図にすると、図７のようになる。

【００９４】（他の実施例）以上実施例について説明し
たが、本発明は次のようにしても実施可能である。（１）　宇宙ロボットは、複腕ロボットに限らず、１台
のマニピュレータを有する単腕ロボットにも適用可能で
ある。

【００９５】（２）　図４に示したデータ構造は、双腕
宇宙ロボットの例であるが、２台以上の複腕宇宙ロボッ
トについても、同様にして実施できる。

【００９６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような効果がある。（１）　宇宙ロボットを制御するには、非常に多くの運
動方程式を解く必要がある。これらの方程式は、通常、
最終的な方程式を連立させて解を求めている。

【００９７】しかし、本発明では、これらの方程式を解
く際に、各方程式を部分的に解いていく。また、それら
の方程式を解くのに必要とするパラメータを、２分木の
データとしてメモリ内に蓄え、順方向再帰関数及び逆方
向再帰関数を用いて処理している。

【００９８】このような方法によれば、マニピュレータ
の構造に依存しない汎用的なアルゴリズムを用いること
が可能になる。

【００９９】（２）　人工衛星本体と、マニピュレータ
のオンライン協調制御が３軸モーメンタムホイールを用
いて可能となる。また作業の効率化が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理図である。

【図２】本発明の実施例における宇宙ロボットの外観図
である。

【図３】マニピュレータ及び３軸モーメンタムホイール
の説明図である。

【図４】双腕宇宙ロボットの場合のデータ構造を示した
図である。

【図５】主制御部の処理フローチャートである。

【図６】順方向再帰関数の処理順序を示した図である。

【図７】逆方向再帰関数の処理順序を示した図である。

【符号の説明】

１　　人工衛星本体２　　３軸モーメンタムホイール３　　マニピュレータ４　　マニピュレータ制御装置５　　主制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】　　人工衛星本体（１）と、３軸モーメン
タムホイール（２）と、マニピュレータ（３）とを具備
した宇宙ロボットの制御方法において、前記マニピュレ
ータ（３）の動作による外乱を算出し、算出したデータ
を用いて、３軸モーメンタムホイール（２）を制御する
ことにより、人工衛星本体の姿勢を保持するようにした
ことを特徴とした宇宙ロボットの制御方法。
【請求項２】　　人工衛星本体（１）の姿勢を保持しつ
つ、マニピュレータ（３）の動作のために生じる人工衛
星本体（１）の移動速度を算出し、算出したデータを用
いて、マニピュレータ（３）を制御することを特徴とし
た請求項１記載の宇宙ロボットの制御方法。
【請求項３】　　人工衛星本体（１）の姿勢を保持しつ
つ、マニピュレータ（３）の動作のために必要な各関節
のトルクを算出し、算出したデータを用いて、マニピュ
レータ（３）を制御することを特徴とした請求項１記載
の宇宙ロボットの制御方法。
【請求項４】　　人工衛星本体（１）の姿勢を保持しつ
つ、マニピュレータ（３）の動作によって、人工衛星本
体（１）に加えられる力を算出し、算出したデータを用
いて、マニピュレータ（３）を制御することを特徴とし
た請求項１記載の宇宙ロボットの制御方法。
【請求項５】　　人工衛星本体（１）、マニピュレータ
（３）の各リンク及び３軸モーメンタムホイール（２）
の各ホイールに関するデータを、２分木のデータとして
、メモリ内に蓄え、そのデータを用いて再帰的演算手法
により、３軸モーメンタムホイール（２）の各ホイール
に必要となる角速度を算出し、算出したデータを用いて
、３軸モーメンタムホイール（２）を制御することを特
徴とした請求項１記載の宇宙ロボットの制御方法。
【請求項６】　　人工衛星本体（１）、マニピュレータ
（３）の各リンク及び３軸モーメンタムホイール（２）
の各ホイールに関するデータを、２分木のデータとして
メモリ内に蓄え、そのデータを用いて、再帰的演算手法
により、３軸モーメンタムホイール（２）の各ホイール
に必要となるトルクを算出し、算出したデータを用いて
、３軸モーメンタムホイール（２）を制御することを特
徴とした請求項１記載の宇宙ロボットの制御方法。