JPH05119837A

JPH05119837A - 浮遊ロボツトの制御装置

Info

Publication number: JPH05119837A
Application number: JP3164355A
Authority: JP
Inventors: Osamu Noro; 治野呂; Kiyoshi Ioi; 清五百井
Original assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Current assignee: Kawasaki Heavy Industries Ltd
Priority date: 1991-07-04
Filing date: 1991-07-04
Publication date: 1993-05-18
Anticipated expiration: 2014-08-03
Also published as: JP2929328B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【構成】宇宙空間および水中などにおける浮遊ロボット
１６の本体１７にはマニピュレータ２０が設けられ、本
体の位置および姿勢を第１検出手段２１によって検出
し、その本体とマニピュレータの付け根との間にそのマ
ニピュレータによって本体に作用する力とトルクを検出
する第２検出手段２２を介在し、目標値設定手段２５に
おいて設定されている本体の位置および姿勢となるよう
に、第１および第２検出手段の出力に基づいて、スラス
タ２４などの推進力発生手段を制御する。これによって
マニピュレータの動きによる本体の変動が生じるよりも
先に、推進力発生手段によってその外乱による本体の動
きを打ち消し、本体の位置および姿勢を目標値に保つ。【効果】簡単な構成で、良好な応答速度で浮遊ロボット
の本体の位置および姿勢、さらには速度および加速度な
どをマニピュレータの動きによって乱されることなく、
制御することが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、宇宙空間および水中な
どで作業を行うマニピュレータなどが備えられた浮遊ロ
ボットにおけるロボット本体の位置および姿勢などを制
御するための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】典型的な先行技術は図９に示されてい
る。人工衛星の本体１の位置および姿勢を制御するため
に、その本体１にはセンサ２が設けられ、これによって
本体１の位置および姿勢が検出され、減算回路３に与え
られる。減算回路３にはまた、目標となる位置および姿
勢を表す信号が与えられる。減算回路３の出力は、本体
１に設けられた推進力を発生するための推進機であるス
ラスタ４を制御するためのスラスタ制御回路５に与えら
れ、こうして本体１の位置および姿勢が制御される。

【０００３】この図９に示される先行技術のブロック図
は、図１０である。制御回路５の出力であるスラスタ噴
射指令信号はスラスタ４に与えられ、これによって本体
１に推力およびトルクが発生され、参照符６で示される
ように、本体１のダイナミックスすなわち動力学の入出
力特性が得られ、その本体１の位置および姿勢が、セン
サ２によって前述のように検出されて、減算回路３に与
えられる。

【０００４】このような先行技術において、さらに図１
１に示されるように、本体１に複数のリンクを備えるマ
ニピュレータ８が設けられているとき、図１１に示され
るブロック図が構成されることになる。参照符９で示さ
れるようにマニピュレータ８による反力およびトルク
は、加算回路１０で示されるように、スラスタ４による
推力およびトルクに加算される。したがってマニピュレ
ータ８からの反力とトルクによって、衛星本体１の動
き、すなわち位置および姿勢が乱されることになり、こ
のマニピュレータからの反力とトルクによって発生する
本体１の位置および姿勢の誤差を修正するようにスラス
タ４が作動される。すなわち、マニピュレータ８からの
反力とトルクにより、衛生の動き（位置、姿勢）が乱さ
れる。従来の姿勢制御では、その結果、発生する位置や
姿勢の誤差を修正するようにスラスタ４を作動させる。

【０００５】このような図９〜図１１に示される先行技
術では、本体１がマニピュレータ８の反力とトルクによ
って動いた後に、スラスタ４が作動されることになり、
応答速度が低いという問題がある。

【０００６】さらに他の先行技術のブロック図は、図１
２に示されている。この方法は、マニピュレータの運動
と衛生本体の運動の相互干渉を考慮して、それぞれの動
きが目的に合致するように、一度にスラスタ推力とマニ
ピュレータ関節トルクを決定する方法である。この先行
技術では、浮遊ロボットを多体リンク系として、その運
動方程式から各マニピュレータの各関節トルクが本体の
運動に及ぼす影響を数式的に表現し、その数式を解くこ
とによって、本体の推進力を決定する。この図１２の先
行技術では、制御回路である補償器１１からのスラスタ
噴射指令信号はスラスタ４に与えられ、またマニピュレ
ータのトルク指令信号は関節アクチュエータ１２に与え
られ、こうしてスラスタ４によって発生される本体の推
進力およびトルク、ならびに関節アクチュエータ１２に
よる関節トルクによって本体１とマニピュレータの複合
系ダイナミクス１３が形成され、センサ２は本体１の位
置および姿勢を検出して減算器３に与え、この減算器３
には本体１の目標となる位置および姿勢を表す信号が与
えられ、また複合系ダイナミクス１３からのマニピュレ
ータ制御変数、すなわち位置、姿勢、関節角、速度、手
先反力などを表す信号は減算回路１４に与えられ、この
減算回路１４には、マニピュレータの制御変数の目標値
が与えられ、これらの減算器３，１４の出力は制御回路
１１に与えられる。すなわちマニピュレータの運動と、
本体の運動の相互干渉を考慮して、それぞれの動きが目
的に合致するように、一度にスラスタ推進力とマニピュ
レータ関節トルクを決定する。これによって正確に本体
の動きを制御することができるという利点があるけれど
も、次のような欠点（１）および（２）がある。

【０００７】（１）対象のダイナミクスが一般的に複雑
であり、マニピュレータ８が６軸であれば、本体１と併
せて７個の剛体がつながったリンクのダイナミクスにな
る。マニピュレータ８が複数になると、さらに飛躍的に
複雑なダイナミクスになる。したがって現存の計算機で
実現するのは困難であり、特に宇宙空間に設けられるこ
とができるような小形の計算機で数式を解くのは、不可
能に近い。

【０００８】（２）またこの先行技術ではマニピュレー
タの各リンクおよび本体の質量、慣性モーメント、重心
位置などの多くの力学パラメータが必要となり、これら
の力学パラメータは、すべて正しい値を用いなければ、
正しい制御を実現することはできない。したがってマニ
ピュレータで物をつかんだりした場合、つかんだ物の質
量や慣性モーメント、重心位置などを正しく与えなけれ
ばならない。したがってつかむ可能性のある物のデータ
ベースを持つか、対象の力学特性を計測する必要があ
り、現実的には、用途が限られてしまうという問題があ
る。

【０００９】本発明の目的は、比較的簡単な構成で、浮
遊ロボットの本体の位置および姿勢などを正確に制御す
ることができるようにした浮遊ロボットの制御装置を提
供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、可動物体が設
けられる浮遊ロボットの制御装置において、ロボット本
体に設けられ、推進力を発生する手段と、ロボット本体
の位置および姿勢の目標値を設定する目標値設定手段
と、ロボット本体の位置および姿勢を検出する第１検出
手段と、ロボット本体と、そのロボット本体に設けられ
る可動物体との間に介在され、力とトルクを検出する第
２検出手段と、目標値設定手段と第１検出手段と第２検
出手段との各出力に応答して、ロボット本体が目標値設
定手段で設定した目標値からずれるのを防ぐために、推
進力発生手段を駆動する手段とを含むことを特徴とする
浮遊ロボットの制御装置である。

【００１１】

【作用】本発明に従えば、本体の位置および姿勢を第１
検出手段によって検出し、可動物体、たとえばマニピュ
レータとそれが取付けられている浮遊ロボット本体との
間に、第２検出手段を介在して可動物体の運動による本
体に及ぼす影響を検出し、こうして得られる第１および
第２検出手段からの出力と本体の位置および姿勢の予め
設定されている目標値とに応答して、その目標値からず
れるのを防ぐようにスラスタなどの推進力発生手段を制
御する。こうしてマニピュレータなどのような可動物体
をどう動かそうと、それらが本体に及ぼす影響は、マニ
ピュレータなどの可動物体の付け根と力とトルクに集約
される。したがってそのマニピュレータなどの付け根に
おける力とトルクを第２検出手段によって検出すれば、
力学パラメータおよびハンドリングされるべき物体がど
うなっていようと、直接的に本体への影響が判り、容易
に、その影響を補正した本体制御が可能となる。

【００１２】第１検出手段によって検出される本体の位
置および姿勢だけでなく、さらにその第１検出手段によ
って、速度および加速度が検出されてもよく、目標値設
定手段では、本体の位置および姿勢だけでなく、その他
さらに速度および加速度が設定され、その目標値となる
ように、推進力発生手段が制御されるようにしてもよ
い。

【００１３】

【実施例】図１は本発明の一実施例の全体のブロック図
であり、図２はスラスタ２４を駆動する構成を示すブロ
ック図であり、図３はその具体的な構成を示す図であ
る。この実施例では、本体１７とマニピュレータ２０と
を切り放して考え、マニピュレータ２０から本体１７へ
の影響は、マニピュレータ２０の根元に発生する力とト
ルクに集約されるのであるから、それらを打ち消すよう
な信号をスラスタ２４の噴射指令に加えてやれば、マニ
ピュレータ２０の影響を受けずに衛生本体の姿勢制御が
実現できる。

【００１４】浮遊するロボット本体１７は、一般に位置
の３自由度と姿勢（方向）の３自由度の計６個の自由度
を持ち、ガスジェットなどの推進機であるスラスタ２４
は、それらの６個の自由度を制御するのに必要な個数が
設置されている。スラスタ２４としてガスジェットを用
いた場合、一般にガスボンベ２４ｃとノズル２４ａの間
に弁２４ｂを置き、その弁２４ｂの開閉のタイミングに
よって制御を行う。すなわち、噴射されるジエットの強
さは一定で、ジエットを噴射する長さと頻度でその効き
目を調整する。

【００１５】弁開閉指令は、正の定められた値とゼロお
よび負の定められた値の３つの値しかとらず、弁開閉指
令が正の値になったときは正方向に力を発生するスラス
タ２４の弁２４ｂのみを開き、弁開閉指令が負の値にな
ったときは負方向に力を発生するスラスタ２４の弁２４
ｂのみを開き、弁開閉指令がゼロのときはいずれの弁２
４ｂも閉じる。また、力指令から弁開閉指令に到るブロ
ックは、連続の値をとる力指令に対応してパルス列を作
り出す回路の一例を示している。力指令がゼロであれば
弁開閉指令のパルスは全く出ず、力指令がプラスになる
と、弁開閉指令として正のパルスが出力され、力指令の
値が大きくなるに従って出力パルス幅が増大する。力指
令がある値を越すと、出力パルスはオフにならずに出続
ける。また、マイナスの力指令に対しては、マイナスの
パルスが出力され、力指令がマイナス方向に増大するに
従って、そのパルス幅は増大し、ついには負のパルスが
出続ける。この図２における力指令から弁開閉指令を生
成する方式によるとスラスタ２４が発生できる力の範囲
内では、スラスタ２４の推力の時間平均が力指令に正比
例することは容易に示せる。これらのことから、この図
２で示された系においては位置指令からの実際の位置の
ずれに応じて力指令が生成され、スラスタ２４からは断
続的であるが平均すればその力指令に比例する力が宇宙
機に加えられる構成になっており、これによって宇宙機
である本体１７の位置が所定位置に保たれるよう制御さ
れる。

【００１６】前述のように、この図２に示した制御装置
は、宇宙機である本体１７の位置制御システムの１例で
あって、各部分の構成や制御手法について、種々の方法
があるのは明らかである。たとえば、位置だけでなく、
速度や加速度も検出して制御に用いれば、より精密な制
御が可能となる。以下の説明では本発明の作用、効果を
示すための例として、この図２の制御系に減衰をよくす
るために速度をフィードバックを付加したものをとりあ
げるが、異なった制御システムにおいても、以下で説明
する考え方でもって、本発明を実施することは容易であ
る。

【００１７】浮遊ロボットは、図２の宇宙機である本体
１７にマニピューレタ２０を取付けた図４のものとみな
すことができる。マニピューレタ２０が作業を行うため
に動くと、ロボット本体１７に対してその反動、すなわ
ち本体１７とマニピュレータ２０との結合状態を保つた
めの拘束力が作用し、その結果、ロボット本体１７の運
動が影響を受ける。また、その反動は、マニピュレータ
２０がどう動こうとマニピュレータ２０と本体１７との
接続部２０ａにおける並進力とモーメントにすべて集約
されることは明らかである。いま、本体１７とマニピュ
レータ２０の接続位置２０ａにおいて本体１７に作用す
る並進力をＦｄ、モーメントをＮｄ、本体重心Ｇから見
た接続位置の位置ベクトルをｒｄとおく。また、本体１
７が持っているスラスタ２４などの推進装置による並進
力およびモーメントをそれぞれＦｔおよびＮｔとおく。
本体１７には、これらの他の並進力やモーメントは働か
ないとする。本体１７の質量をＭ、慣性テンソルをＩと
おくと、本体１７の運動は、数１で示される運動方程式
によって決定される。

【００１８】

【数１】

【００１９】ただし、ｖは本体速度ベクトル、ωは本体
角速度ベクトル、×はベクトル積記号である。

【００２０】いま、ロボット本体１７に加えたい並進力
をＦｔ０、モーメントをＮｔ０とすると、マニピュレー
タ２０からの反動による並進力とモーメントを打ち消す
ためには、スラスタ２４などの推力発生手段に

【００２１】

【数２】Ｆｔ＝Ｆｔ０−Ｆｄなる並進力と、Ｎｔ＝Ｎｔ０−（Ｎｄ＋ｒｄ×Ｆｄ）なるモーメントを発生させればよいことになる。たとえ
ば、ｎ個のスラスタ２４を用いてこれを実現するには、
各スラスタ２４の推力Ｆｔ１が作用する点の本体重心に
対する位置ベクトルをｒｔ１とすると、

【００２２】

【数４】

【００２３】

【数５】

【００２４】を満たすようにＦｔ１を決めればよい。

【００２５】本発明で重要なことは、（１）浮遊ロボッ
ト本体の推進力およびモーメントを数２および数３によ
ってそれぞれ決定すること。スラスタなどのように、推
進力およびモーメントを任意の値には設定できず、数
２、数３を厳密には満足できない場合には、たとえば上
図のスラスタのオン／オフ信号に変換する前の力指令値
を数２、数３により設定すること、（２）数２、数３に
含まれるＮｄ，Ｆｄを検知するために、マニピュレータ
２０とロボット本体１７の接続部分に力／トルクセンサ
を設置し、その信号を用いてロボット本体１７の推進力
とモーメントを制御すること、の２点を組合せた浮遊ロ
ボットの制御装置である。

【００２６】前述の図１と図２の構成に、本発明による
制御を組込んだ場合の例を図４に示す。

【００２７】このような構成によれば、マニピュレータ
２０からの反力とモーメントが正確に検出でき、推進力
とモーメントを直接厳密に制御できる場合は、本発明が
理想的な結果をもたらすことは明らかである。ここで
は、マニピュレータ２０からの力とモーメントの検出は
理想的で、ロボット本体１７の推進力と推進モーメント
が図１あるいは図２のスラスタ２４を使った場合で示す
ように、一定値のオン／オフでしか発生できない場合に
ついて示す。本発明の効果を示すことが目的であるから
モデルは簡単化して、１自由度の質点とし推進力は正お
よび負の定まった値とゼロの３つの値のみをとれること
とし、力指令からスラスタのオン／オフへの変換は図１
あるいは図２で示した方法をとることとする。この場合
の制御ブロック図を、図５に示す。この外乱補償付き位
置制御系ブロック図の一次元モデルにおいて、Ｍ：ロボット本体質量Ｋｖ，Ｇｃ，Ｋｉ：制御ゲインである。∽は、積分を示す。

【００２８】この図５のブロック図の下でシミュレーシ
ョンを行った結果を、以下に示す。

【００２９】図６は外乱力は働かず、本体１７が目標位
置からずれている状態でこの制御を働かせたときの応答
で、スラスタ２４の数回のオン／オフの後に本体は目標
位置に収束している。

【００３０】図７、図８は、外乱が加わった場合の応答
で、図７は外乱補償をしない場合、すなわち図５の外乱
補償オン／オフスイッチがオフの場合、図８は本発明に
基づく補償を加えた場合、すなわち図５の外乱補償オン
／オフスイッチがオンの場合の応答である。図７におい
ては、本体１７の位置は目標からずれたところへ収束す
るのに対し、図８においては外乱が加わった当初にわず
かに偏位が生じるが、すぐに目標位置に収束している。
この例より、本発明の効果は明らかである。図６
（１）、図７（１）および図８（１）は推力は示し、図
６（２）、図７（２）および図８（２）は速度を示し、
図６（３）、図７（３）および図８（３）は変位を示
す。これらの図面を参照符して、宇宙空間および水中な
どに設けられる浮遊ロボット１６の本体１７には、複数
のリンク１８と複数の関節１９とを有するマニピュレー
タ２０が、設けられる。本体１７の位置および姿勢、さ
らには速度および加速度を検出するために、第１検出手
段２１がその本体１７に設けられる。本体１７とマニピ
ュレータ２０の付け根との間には、第２検出手段２２が
設けられる。この第２検出手段２２は、マニピュレータ
２０による本体１７に作用する力とトルクを検出する。
マニピュレータ２０の手先２３は、ハンドリングすべき
物体をつかむことなどができる。本体１７には、希望す
る方向に本体１７に推進力を発生するための手段である
スラスタ２４が取付けられる。

【００３１】本体１７の位置および姿勢、さらには速度
および加速度の目標値は、目標値設定手段２５によって
設定される。その目標値は減算回路２６に与えられる。
減算回路２６には、第１検出手段２１によって検出され
た本体１７の位置および姿勢を表す信号が与えられる。
減算回路２６からの出力は補償器である制御回路２７に
与えられる。制御回路２７からライン２８を介するスラ
スタ２４のための信号は、減算回路２９に与えられる。
減算回路２９から出力は減算回路３２に与えられ、その
減算回路３２の出力は積分回路３３に与えられて積分さ
れ、ヒステリシス回路３４から弁開閉指令信号が導出さ
れ、弁２４ｂに対応する駆動回路３５，３６にそれぞれ
与えられ、この弁開閉指令信号はまた、減算回路３２に
与えられる。

【００３２】マニピュレータ２０の動きによる本体１７
に作用する反力およびトルクは、第２検出手段２２によ
って検出され、制御回路２７からの出力に対応するよう
に換算回路３０によって換算され、こうして得られた信
号は、加算回路２９に与えられ、こうして加算回路２９
からは前述のように、スラスタ２４のための信号が得ら
れる。このようにして、マニピュレータ２０による本体
１７に作用する反力およびトルクを打ち消すための信号
が換算回路３０から発生されて得られ、したがってマニ
ピュレータ２０による本体１７の目標位置および姿勢か
らずれをなくすのではなく、マニピュレータ２０による
外乱によって、本体１７の位置および姿勢の制御系が乱
れるのを防ぐ。こうして本体１７がマニピュレータ２０
による外乱によって動いてしまうよりも先に、換算回路
３０から得られる信号によってスラスタ２４を動作させ
て、本体１７への影響を打ち消し、本体１７がマニピュ
レータ２０による外乱で動くことを防ぐ。

【００３３】上述の実施例では本体１７の外部にマニピ
ュレータ２０が備えられているけれども、本発明の他の
実施例として、本体１７内に形成された空間に、マニピ
ュレータ２０の作業空間が設けられるようにしてもよ
く、このようにマニピュレータ２０が本体１７の内部空
間に設けられるときにおいても、本発明が実施される。
さらにマニピュレータに代えて、他の可動物体であって
もよい。この可動物体はたとえば、本体１７に形成され
た内部空間内で、無重力状態で浮遊する作業者などであ
ってもよく、その他の物体であってもよい。

【００３４】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、第１検出
手段によって本体の位置および姿勢を検出し、また本体
とマニピュレータなどの可動物体との間に第２検出手段
を介在して、力とトルクを検出し、こうして本体に設け
られている推進力発生手段を、目標値設定手段によって
設定されている本体の位置および姿勢となるように制御
することによって、簡単な姿勢で、しかも本体の位置お
よび姿勢などが可動物体の影響によって動いてしまうよ
りも先に、推進力発生手段によってそのような外乱によ
る位置および姿勢の変動を打ち消して、本体が、可動物
体の動きである外乱によって変動することを防ぐことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の全体のブロック図である。

【図２】図１に示される実施例の具体的なブロック図で
ある。

【図３】本発明の一実施例の具体的な構成を示す図であ
る。

【図４】図３に示される実施例の電気的な構成を示すブ
ロック図である。

【図５】本発明の一実施例の本件発明者による一次元モ
デルを示すブロック図である。

【図６】本件発明者の実験結果を示すグラフである。

【図７】本件発明者の実験結果を示すグラフである。

【図８】本件発明者の実験結果を示すさらに他のグラフ
である。

【図９】先行技術の衛生姿勢制御系を示す構成の図であ
る。

【図１０】図９に示される先行技術のブロック図であ
る。

【図１１】図９および図１０に示される先行技術におい
てマニピュレータを備えたときの先行技術の構成を示す
ブロック図である。

【図１２】他の先行技術を示すブロック図である。

【符号の説明】

１６浮遊ロボット１７ロボット本体２０マニピュレータ２１第１検出手段２２第２検出手段２４スラスタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０５Ｄ 1/00 Ａ 7828−3Ｈ 1/08 Ａ 7828−3ＨＺ 7828−3Ｈ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動物体が設けられる浮遊ロボットの制
御装置において、ロボット本体に設けられ、推進力を発生する手段と、ロボット本体の位置および姿勢の目標値を設定する目標
値設定手段と、ロボット本体の位置および姿勢を検出する第１検出手段
と、ロボット本体と、そのロボット本体に設けられる可動物
体との間に介在され、力とトルクを検出する第２検出手
段と、目標値設定手段と第１検出手段と第２検出手段との各出
力に応答して、ロボット本体が目標値設定手段で設定し
た目標値からずれるのを防ぐために、推進力発生手段を
駆動する手段とを含むことを特徴とする浮遊ロボットの
制御装置。