JPH05228863A - Manipulator control unit - Google Patents

Manipulator control unit

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JPH05228863A
JPH05228863A JP3357892A JP3357892A JPH05228863A JP H05228863 A JPH05228863 A JP H05228863A JP 3357892 A JP3357892 A JP 3357892A JP 3357892 A JP3357892 A JP 3357892A JP H05228863 A JPH05228863 A JP H05228863A
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joint
joints
angle
target
manipulator
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Michihiro Uenohara
道 宏 植之原
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Toshiba Corp
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Toshiba Corp
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00Arms
    • B25J18/005Arms having a curved shape

Abstract

PURPOSE:To facilitate a coordinate transformation finding a desired joint angle out of a desired position and a desired attitude by setting plural pieces of joints in each tip part to a relationship of roll-pitch-roll with one another, while adopting such a means that one intersection is set in each joint shaft of these joints and so on. CONSTITUTION:A control unit 1 of a manipulator with seven joints operates a desired joint angle of each of first to fourth joints at a position arithmetic unit on the basis of a desired position of an intersection being forced by a joint shaft of each of fifth to seventh joints. At this time, not only a first component 5 pertaining to a joint angle of each of first to fourth joints but also a second component 6 pertaining to the joint angle of each of the first to fourth joints for reducing the axial slippage of these first to fourth joints are operated together. In addition, on the basis of a desired attitude of a terminal attached to the seventh joint, the desired joint angle of each of the fifth to seventh joints is operated at an attitude arithmetic unit 3. Furthermore, on the basis of respective operational results of each arithmetic unit 3, the joint angle of each of the first to seventh joints is controlled by a joint angle control unit 4.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、第1関節乃至第7関節
の7個の関節を有するマニピュレータの制御装置に係
り、特に、マニピュレータの先端部の第5関節乃至第7
関節の3個の関節が互いにロール・ピッチ・ロールの関
係にあるとともに第5関節乃至第7関節の関節軸が一つ
の交点を有し、前記制御装置は前記交点の位置を目標位
置に従うようにかつ第7関節に装着された手先の姿勢を
目標姿勢に従うように各々制御するマニピュレータ制御
装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control device for a manipulator having seven joints, a first joint to a seventh joint, and more particularly to a fifth joint to a seventh joint at the tip of the manipulator.
The three joints are in a roll-pitch-roll relationship with each other and the joint axes of the fifth joint to the seventh joint have one intersection, and the control device sets the position of the intersection to follow the target position. In addition, the present invention relates to a manipulator control device that controls the posture of the hand attached to the seventh joint so as to follow the target posture.

【0002】[0002]

【従来の技術】工場内で使用される産業用ロボットを中
心として、6個の関節を有するマニピュレータが多く用
いられている。これらの多くのマニピュレータは、先端
部の3個の関節の関節軸が一点で交わりかつこれらの関
節がロール・ピッチ・ロールの関係にある。
2. Description of the Related Art Manipulators having six joints are mainly used mainly for industrial robots used in factories. In many of these manipulators, the joint axes of the three joints at the tip end intersect at a single point, and these joints have a roll-pitch-roll relationship.

【0003】このような6個の関節を有するマニピュレ
ータの先端に装着された手先は、マニピュレータが6自
由度を有するために、マニピュレータの動作範囲内にあ
る限り、3次元空間の任意の位置および姿勢を実現する
ことができる。
The hand attached to the tip of such a manipulator having six joints has six degrees of freedom because the manipulator has six degrees of freedom, so that the manipulator has arbitrary positions and postures in a three-dimensional space as long as it is within the operation range of the manipulator. Can be realized.

【0004】通常、マニピュレータ制御装置は、指定さ
れた目標位置および目標姿勢を表す座標値を各関節の関
節角度の値に座標変換して目標関節角度を求め、次にこ
れらの目標関節角度を実現するように各関節軸を制御す
る。
Usually, the manipulator control device performs coordinate conversion of the coordinate values representing the designated target position and target posture into the joint angle values of the joints to obtain the target joint angles, and then realizes these target joint angles. Control each joint axis to do so.

【0005】先端部の3個の関節がロール・ピッチ・ロ
ールの関係にあるこれらのマニピュレータが目標とする
位置および姿勢を実現しようとする場合において、次の
2つのやり方が通常よく考えられる。
In the case where these manipulators in which the three joints of the tip end are in the roll-pitch-roll relationship to achieve the target position and posture, the following two methods are usually considered.

【0006】すなわち、一つはマニピュレータの先端の
先端位置と先端姿勢とを制御目標とするもの、他は先端
部の3個の関節の関節軸の交点の位置とマニピュレータ
の先端姿勢とを制御目標とするものである。
That is, one is to control the tip position and tip posture of the tip of the manipulator, and the other is to control the position of the intersection of the joint axes of the three joints of the tip and the tip posture of the manipulator. It is what

【0007】後者の場合、すなわち先端部の3個の関節
の関節軸の交点の位置を目標位置にしかつマニピュレー
タの先端の姿勢を目標姿勢にする場合には、マニピュレ
ータの基端部の3個の関節によって目標位置を規定し、
先端部の3個の関節によって目標姿勢を規定することに
なる。このため、基端部の3個の関節と先端部の3個の
関節とが分離して扱うことができるので、目標位置およ
び目標姿勢から目標関節角度を求めるための座標変換を
容易に行うことができる。
In the latter case, that is, in the case where the position of the intersection of the joint axes of the three joints at the tip end is set to the target position and the posture of the tip of the manipulator is set to the target posture, the three manipulators at the base end are The target position is defined by the joint,
The target posture is defined by the three joints at the tip. Therefore, since the three joints at the base end and the three joints at the tip can be handled separately, coordinate conversion for obtaining the target joint angle from the target position and the target posture can be easily performed. You can

【0008】一方、近年、研究開発用を始めとして7個
の関節を有するマニピュレータが開発され始めている。
On the other hand, in recent years, manipulators having seven joints, including those for research and development, have begun to be developed.

【0009】マニピュレータを制御目標とする目標位置
および目標姿勢へ制御できるためには、マニピュレータ
は6個の関節を有すれば十分である。従って、7個の関
節を有するマニピュレータにおいては、目標位置および
目標姿勢を実現するための関節角度は一意には決まらな
い。この残りの一自由度を利用することによって、障害
物の回避、無理のない姿勢の実現あるいは特異姿勢の回
避などを可能にすることができる。
In order to be able to control the manipulator to a target position and a target posture which are control targets, it is sufficient for the manipulator to have six joints. Therefore, in the manipulator having seven joints, the joint angles for realizing the target position and the target posture are not uniquely determined. By utilizing this remaining one degree of freedom, it is possible to avoid obstacles, realize a comfortable posture, or avoid a peculiar posture.

【0010】障害物の回避とは、目標位置および目標姿
勢を実現しなが肘の姿勢を変化させることによりマニピ
ュレータのリンクが障害物と衝突することを防ぐことで
ある。
The avoidance of an obstacle is to prevent the link of the manipulator from colliding with the obstacle by changing the posture of the elbow while realizing the target position and the target posture.

【0011】また、無理のない姿勢の実現とは、ある関
節の関節角度が可動範囲限界付近にまでできるだけ達し
ないように、目標位置および目標姿勢を実現できる種々
の関節角度から適当な関節角度を選択することである。
一般に、6個の関節を有すれば可動範囲内の任意の位置
および姿勢を実現できるが、目標とする位置や姿勢の値
によってはマニピュレータがかなり無理の姿勢になるこ
とがおうおうにしてある。人間の腕は通常、あまり無理
な姿勢をとらない。この理由は人間の腕が7個の関節を
有することに大きく負っている。同様にマニピュレータ
においても、7個の関節を利用することによって無理の
ない姿勢を実現できる。
In order to realize a comfortable posture, an appropriate joint angle is selected from various joint angles capable of realizing the target position and the target posture so that the joint angle of a certain joint does not reach the vicinity of the movable range limit as much as possible. Is to choose.
Generally, if there are six joints, an arbitrary position and posture within the movable range can be realized, but it is assumed that the manipulator has a considerably impossible posture depending on the value of the target position and posture. The human arm usually does not take a very uncomfortable posture. The reason for this lies largely in that the human arm has seven joints. Similarly, also in the manipulator, a comfortable posture can be realized by using seven joints.

【0012】また、無理のない姿勢は、できるだけ多数
の関節を寄与させることによって実現される姿勢であ
る。制御目標を実現するための動作を特定の関節のみに
偏って負担させることは、各関節にはそれぞれ可動範囲
があるのでその関節の可動範囲限界によって制限され、
マニピュレータの可動範囲が狭くなるからである。
A comfortable posture is a posture realized by contributing as many joints as possible. It is limited by the movable range limit of the joint that each joint has a movable range, so that the motion for realizing the control target is biased only to a specific joint.
This is because the movable range of the manipulator becomes narrow.

【0013】また、特異姿勢の回避とは、例えば複数の
関節軸が一致あるいは平行になったりすることを回避す
ることである。このような特異姿勢においては、複数の
関節で1個の自由度しか実現できなくなるからである。
Further, the avoidance of the peculiar posture means avoidance of a plurality of joint axes being coincident with or parallel to each other. This is because in such a peculiar posture, only one degree of freedom can be realized by a plurality of joints.

【0014】上述のように、7個の関節を有するマニピ
ュレータは余分の1個の関節を種々の目的を実現するた
めに利用することが可能である。
As described above, the manipulator having seven joints can utilize one extra joint for various purposes.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
で研究開発されてきた7個の関節を有するマニピュレー
タは障害物の回避に利用するものがほとんどであった。
あるいは、そのときどきのマニピュレータの肘の角度を
外部から指定して目的を実現するのみのものであった。
However, most of the manipulators having seven joints that have been researched and developed so far have been used for avoiding obstacles.
Alternatively, the manipulator's elbow angle was sometimes specified from the outside to achieve the purpose.

【0016】従って、特別な障害物がない場合には、マ
ニピュレータが余分の1個の関節を有することを十分に
は利用してはいなかった。また、外部から目標値を与え
なくとも、できるだけ無理のない姿勢を実現するマニピ
ュレータは見受けられなかった。すなわち、目標位置お
よび目標姿勢を実現する関節角度の中で最も無理のない
目標関節角度を算出し、この目標関節角度に追従するよ
うにマニピュレータを制御するマニピュレータ制御装置
は見受けられず、冗長自由度を十分には利用していなか
った。
Therefore, it has not fully utilized the fact that the manipulator has one extra joint in the absence of special obstacles. Also, no manipulator was found that could achieve a posture that was as comfortable as possible without giving a target value from the outside. That is, there is no manipulator control device that calculates the most reasonable target joint angle among the joint angles that realizes the target position and the target posture, and controls the manipulator so as to follow this target joint angle. Was not fully utilized.

【0017】そこで本発明の目的は、上記従来技術の有
する問題を解消し、目標位置および目標姿勢を実現する
関節角度の中で、マニピュレータの姿勢に無理のない各
関節の目標関節角度を演算するマニピュレータ制御装置
を提供することである。
Therefore, an object of the present invention is to solve the above problems of the prior art and to calculate the target joint angle of each joint in which the posture of the manipulator is reasonable within the joint angles that realize the target position and the target posture. It is to provide a manipulator control device.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、第1関節乃至第7関節の7個の関節を有
するマニピュレータの制御装置であって、前記マニピュ
レータの先端部の第5関節乃至第7関節の3個の関節が
互いにロール・ピッチ・ロールの関係にあるとともに第
5関節乃至第7関節の関節軸が一つの交点を有し、前記
制御装置は前記交点の位置を目標位置に従うようにかつ
第7関節に装着された手先の姿勢を目標姿勢に従うよう
に各々制御するものであり、前記制御装置は前記手先の
目標姿勢の値より第5関節乃至第7関節の目標関節角度
を演算する姿勢演算装置と、前記交点の目標位置の値よ
り目標位置を実現するための第1関節乃至第4関節の関
節角度の成分と第5関節の関節軸方向と第7関節の関節
軸方向とのずれの大きさを小さくするように作用する第
1関節乃至第4関節の関節角度の成分とを演算し、これ
らの成分を加算して第1関節乃至第4関節の目標関節角
度を演算する位置演算装置と、前記姿勢演算装置および
前記位置演算装置の演算結果により第1関節乃至第7関
節の関節角度を制御する関節角度制御装置とを備え、前
記位置演算装置は、第5関節の関節軸方向と第7関節の
関節軸方向とのずれの大きさを小さくするように作用す
る第1関節乃至第4関節の関節角度の成分の大きさを、
第5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれ
の大きさに応じて変動させることによって、第1関節乃
至第7関節の関節角度の基準関節角度からの各々の偏差
の大きさが所定範囲にあるように第1関節乃至第4関節
の目標関節角度を演算することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention is a control device for a manipulator having seven joints, namely, a first joint to a seventh joint, wherein a first end portion of the manipulator is provided. The three joints of the fifth joint to the seventh joint are in a roll-pitch-roll relationship with each other, and the joint axes of the fifth joint to the seventh joint have one intersection, and the control device determines the position of the intersection. According to the target position, the posture of the hand attached to the seventh joint is controlled so as to follow the target posture. The controller controls the target of the fifth joint to the seventh joint based on the value of the target posture of the hand. A posture calculation device for calculating a joint angle, and components of the joint angles of the first to fourth joints, the joint axis direction of the fifth joint, and the seventh joint for realizing the target position from the value of the target position of the intersection. The deviation from the joint axis direction Position calculation device for calculating the joint angle components of the first joint to the fourth joint that act to reduce the size and adding these components to calculate the target joint angles of the first joint to the fourth joint And a joint angle control device that controls the joint angles of the first joint to the seventh joint according to the calculation results of the posture calculation device and the position calculation device, and the position calculation device determines the joint axis direction of the fifth joint. The magnitude of the component of the joint angle of the first joint to the fourth joint, which acts so as to reduce the magnitude of the deviation of the seventh joint from the joint axis direction,
By varying according to the amount of deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint, the magnitude of each deviation of the joint angles of the first to seventh joints from the reference joint angle The target joint angles of the first joint to the fourth joint are calculated so that is within a predetermined range.

【0019】[0019]

【作用】マニピュレータの先端部の第5関節乃至第7関
節の3個の関節が互いにロール・ピッチ・ロールの関係
にあるとともに第5関節乃至第7関節の関節軸が一つの
交点を有するので、先端部の第5関節乃至第7関節の3
個の関節によって目標姿勢を規定し、基端部の第1関節
乃至第4関節の4個の関節によって目標姿勢を規定し、
先端部の3個の関節と基端部の4個の関節とを分離して
扱うことができるので、目標位置および目標姿勢から目
標関節角度を求めるための座標変換を容易に行うことが
できる。
Since the three joints of the fifth joint to the seventh joint at the tip of the manipulator are in a roll-pitch-roll relationship with each other and the joint axes of the fifth joint to the seventh joint have one intersection, 5th to 7th joints at the tip
The target posture is defined by the individual joints, and the target posture is defined by the four joints of the first to fourth joints at the base end,
Since the three joints at the distal end portion and the four joints at the proximal end portion can be handled separately, coordinate conversion for obtaining the target joint angle from the target position and the target posture can be easily performed.

【0020】位置演算装置は目標位置を実現するための
第1関節乃至第4関節の関節角度の成分のみならず、第
5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの
大きさを小さくするように作用する第1関節乃至第4関
節の関節角度の成分を演算し、これらの成分を加算して
第1関節乃至第4関節の目標関節角度を演算する。
The position calculation device not only calculates the component of the joint angle of the first joint to the fourth joint for realizing the target position, but also the degree of deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint. The components of the joint angles of the first joint to the fourth joint that act to reduce the height are calculated, and these components are added to calculate the target joint angles of the first joint to the fourth joint.

【0021】さらに、位置演算装置は、目標姿勢を規定
する第1関節乃至第4関節の4個の関節の残余の一自由
度を利用して、第5関節の関節軸方向と第7関節の関節
軸方向とのずれの大きさを小さくするように作用する第
1関節乃至第4関節の関節角度の成分の大きさを、第5
関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの大
きさに応じて変動させることによって、第1関節乃至第
7関節の関節角度の基準関節角度からの各々の偏差の大
きさが所定範囲にあるように第1関節乃至第4関節の目
標関節角度を演算する。
Further, the position calculation device utilizes the remaining one degree of freedom of the four joints, the first joint to the fourth joint, which defines the target posture, and utilizes the remaining one degree of freedom of the fifth joint and the seventh joint. The magnitude of the component of the joint angle of the first to fourth joints, which acts to reduce the magnitude of deviation from the joint axis direction,
By varying according to the amount of deviation between the joint axis direction of the joint and the joint axis direction of the seventh joint, the magnitude of each deviation of the joint angles of the first joint to the seventh joint from the reference joint angle can be adjusted. The target joint angles of the first to fourth joints are calculated so that they fall within a predetermined range.

【0022】[0022]

【実施例】以下に本発明によるマニピュレータ制御装置
の一実施例を図1および図2を参照して説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS An embodiment of a manipulator control device according to the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0023】図2に示すように、7個の関節を有するマ
ニピュレータ10が基台20に取り付けられている。マ
ニピュレータ10の7個の関節は、基端部の第1関節1
1乃至第4関節14の4個の関節と、先端部の第5関節
15乃至第7関節17の3個の関節とからなる。第7関
節17の先端には手先21が装着されている。
As shown in FIG. 2, a manipulator 10 having seven joints is attached to a base 20. The seven joints of the manipulator 10 are the first joint 1 at the base end.
It is composed of four joints 1 to 4 and three joints 5 to 15 at the tip. A hand 21 is attached to the tip of the seventh joint 17.

【0024】また、図2(B)には、第1関節11乃至
第7関節17の構成関係が概略的に示されている。
Further, FIG. 2B schematically shows the constitutional relationship of the first joint 11 to the seventh joint 17.

【0025】マニピュレータ10の先端部の第5関節1
5、第6関節16および第7関節17の3個の関節は互
いにロール・ピッチ・ロールの関係にある。すなわち、
第7関節17の関節軸方向17aは手先21の先端方向
に向き、かつ第6関節16の関節軸方向16aと垂直に
ある。また、第5関節15の関節軸方向15aは第6関
節16の関節軸方向16aと垂直にあり、かつ第7関節
17の関節軸方向17aと同一平面上にある。図2にお
いて、第5関節15の関節軸方向15aと第7関節17
の関節軸方向17aとは一直線をなす状態を示している
が、一般には第5関節15の関節軸方向15aと第7関
節17の関節軸方向17aとはずれている。
The fifth joint 1 at the tip of the manipulator 10
The five joints, the sixth joint 16 and the seventh joint 17, are in a roll-pitch-roll relationship with each other. That is,
The joint axis direction 17a of the seventh joint 17 faces the tip end direction of the hand 21, and is perpendicular to the joint axis direction 16a of the sixth joint 16. The joint axis direction 15a of the fifth joint 15 is perpendicular to the joint axis direction 16a of the sixth joint 16, and is on the same plane as the joint axis direction 17a of the seventh joint 17. In FIG. 2, the joint axis direction 15 a of the fifth joint 15 and the seventh joint 17
However, generally, the joint axis direction 15a of the fifth joint 15 and the joint axis direction 17a of the seventh joint 17 are deviated from each other.

【0026】また、第5関節15、第6関節16および
第7関節17の3個の関節の関節軸は一つの交点22を
有する。
Further, the joint axes of the three joints of the fifth joint 15, the sixth joint 16 and the seventh joint 17 have one intersection point 22.

【0027】マニピュレータ10の位置の制御対象とし
て交点22を選択し、マニピュレータの姿勢の制御対象
として手先21の姿勢を選択する。そして、マニピュレ
ータ10は交点22の位置を目標位置に従うようにかつ
手先21の姿勢を目標姿勢に従うように、マニピュレー
タ制御装置1によって各関節の目標関節角度を演算し制
御する。
The intersection 22 is selected as the control target of the position of the manipulator 10, and the posture of the hand 21 is selected as the control target of the posture of the manipulator. Then, the manipulator 10 calculates and controls the target joint angle of each joint by the manipulator control device 1 so that the position of the intersection 22 follows the target position and the posture of the hand 21 follows the target posture.

【0028】次に図1にマニピュレータ制御装置1の概
略を示す。
Next, FIG. 1 shows an outline of the manipulator control device 1.

【0029】図1において、マニピュレータ制御装置1
は交点22の目標位置の値より第1関節11乃至第4関
節14の目標関節角度を演算することに関する位置演算
装置2と、手先21の目標姿勢の値より第5関節15乃
至第7関節17の目標関節角度を演算する姿勢演算装置
3と、位置演算装置2および姿勢演算装置3の演算結果
により第1関節乃至第7関節の関節角度を制御する関節
角度制御装置4とを備えている。
In FIG. 1, the manipulator controller 1
Is the position calculation device 2 for calculating the target joint angles of the first joint 11 to the fourth joint 14 from the value of the target position of the intersection point 22, and the fifth joint 15 to the seventh joint 17 from the value of the target posture of the hand 21. And a joint angle control device 4 for controlling the joint angles of the first to seventh joints according to the calculation results of the position calculation device 2 and the posture calculation device 3.

【0030】次に、図1を参照してマニピュレータ制御
装置1の作用について説明する。
Next, the operation of the manipulator control device 1 will be described with reference to FIG.

【0031】位置演算装置2には交点22の位置の指定
された目標位置に関する情報が外部から入力される。ま
た、姿勢演算装置3には手先21の姿勢の指定された目
標姿勢に関する情報が外部から入力される。
Information on the designated target position of the position of the intersection 22 is input to the position calculation device 2 from the outside. Further, information regarding the designated target posture of the posture of the hand 21 is input to the posture calculation device 3 from the outside.

【0032】位置演算装置2は交点22の目標位置の値
より、目標位置を実現するための第1関節乃至第4関節
の関節角度の成分である第1成分5のみならず、第5関
節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの大き
さを小さくするように作用する第1関節乃至第4関節の
関節角度の成分である第2成分6とを演算する。位置演
算装置2は第1成分と第2成分とを加算して第1関節乃
至第4関節の目標関節角度を演算する。
Based on the value of the target position at the intersection 22, the position calculation device 2 calculates not only the first component 5 which is the component of the joint angle of the first joint to the fourth joint for realizing the target position, but also the fifth joint. A second component 6, which is a component of the joint angle of the first joint to the fourth joint, which acts so as to reduce the amount of deviation between the joint axis direction and the joint axis direction of the seventh joint is calculated. The position calculation device 2 calculates the target joint angles of the first to fourth joints by adding the first component and the second component.

【0033】また、位置演算装置2は第2成分6の大き
さが第5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向との
ずれの大きさに応じて変動させることによって、第1関
節乃至第7関節の関節角度の基準関節角度からの各々の
偏差の大きさが所定範囲にあるように第1関節乃至第4
関節の目標関節角度を演算する。
Further, the position calculating device 2 changes the magnitude of the second component 6 in accordance with the magnitude of the deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint, whereby the first joint To the fourth joint so that the magnitude of each deviation of the joint angle of the seventh joint from the reference joint angle falls within a predetermined range.
The target joint angle of the joint is calculated.

【0034】位置演算装置2および姿勢演算装置3の演
算結果は関節角度制御装置4に入力される。関節角度制
御装置4は入力された情報に基づきマニピュレータ10
の第1関節乃至第7関節の関節角度を制御する。
The calculation results of the position calculation device 2 and the posture calculation device 3 are input to the joint angle control device 4. The joint angle control device 4 operates the manipulator 10 based on the input information.
The joint angles of the first to seventh joints are controlled.

【0035】以下に数式を用いて上述の内容を説明す
る。
The above contents will be described below using mathematical expressions.

【0036】交点22の位置を表す位置ベクトルをx、
第1関節11乃至第4関節14の関節角度を表す関節角
度ベクトルをθとするとき、位置ベクトルxと関節角度
ベクトルθの関係は式(1)のように関数fで表すこと
ができる。
The position vector representing the position of the intersection 22 is x,
When the joint angle vector representing the joint angles of the first joint 11 to the fourth joint 14 is θ, the relationship between the position vector x and the joint angle vector θ can be represented by the function f as in Expression (1).

【0037】[0037]

【数1】 ここで、Tは転置を表し、以下においても同様である。
また、f1、f2およびf3は各々fに関する空間成分
を表す。
[Equation 1] Here, T represents transposition, and the same applies below.
Further, f1, f2 and f3 each represent a spatial component related to f.

【0038】また、位置ベクトルxの微小変化量Δxと
関節角度ベクトルθの微小変化量Δθとの間には、式
(2)で表される関係が成立する。
Further, the relationship represented by the equation (2) is established between the minute change amount Δx of the position vector x and the minute change amount Δθ of the joint angle vector θ.

【0039】[0039]

【数2】 ここで、J(θ)はヤコビアン行列である。また、θj
は第j関節の関節角度である。
[Equation 2] Here, J (θ) is a Jacobian matrix. Also, θj
Is the joint angle of the j-th joint.

【0040】次に式(2)より、Δxが与えられたとき
のΔθを求める関係を求める。この関係は式(3)のよ
うに表すことができる。
Next, the relationship for obtaining Δθ when Δx is given is obtained from the equation (2). This relationship can be expressed as in equation (3).

【0041】[0041]

【数3】 次に、以下に目標関節角度の求め方について説明する。[Equation 3] Next, how to obtain the target joint angle will be described below.

【0042】まず、式(1)を用いて第1関節乃至第4
関節の現在の関節角度から交点22の現在の位置を算出
する。
First, the first to fourth joints are calculated using the equation (1).
The current position of the intersection 22 is calculated from the current joint angle of the joint.

【0043】次に交点22の位置の目標位置と現在位置
との差Δxを求めた後、式(3)に従ってΔθを求め
る。
Next, after the difference Δx between the target position and the current position of the intersection 22 is calculated, Δθ is calculated according to the equation (3).

【0044】式(3)から算出したΔθを現在の関節角
度に加えることにより、第1関節乃至第4関節の目標関
節角度が得られる。
By adding Δθ calculated from the equation (3) to the current joint angle, the target joint angles of the first to fourth joints can be obtained.

【0045】なお、Δxの値が大きくなると式(3)は
厳密には成立しない。しかし、マニピュレータ制御装置
1は数msecから数10msecという短い周期で繰
り返し計算を行うので、この短い周期時間においてはΔ
xの値が十分に小さいので問題はない。
When the value of Δx becomes large, the equation (3) is not strictly established. However, since the manipulator control device 1 repeatedly performs calculation in a short cycle of several msec to several tens of msec, Δ can be calculated in this short cycle time.
There is no problem because the value of x is sufficiently small.

【0046】式(3)の右辺において、第1項は交点2
2の目標位置の値より目標位置を実現するための第1関
節11乃至第4関節14の関節角度の成分である第1成
分(図1における符号5)を表す。また、第2項は第5
関節15の関節軸方向15aと第7関節17の関節軸方
向17aとのずれの大きさを小さくするように作用する
第1関節11乃至第4関節14の関節角度の成分である
第2成分(図1における符号6)を表す。
On the right side of the equation (3), the first term is the intersection point 2
The first component (reference numeral 5 in FIG. 1) which is a component of the joint angle of the first joint 11 to the fourth joint 14 for realizing the target position from the value of the target position of 2. The second term is the fifth
The second component, which is a component of the joint angle of the first joint 11 to the fourth joint 14 that acts to reduce the amount of deviation between the joint axial direction 15a of the joint 15 and the joint axial direction 17a of the seventh joint 17, ( Reference numeral 6) in FIG.

【0047】第2成分は交点22の位置の変化になんら
影響を与えない成分である。すなわち、ベクトルkの値
をどうのように設定しても交点22の位置は変化しな
い。
The second component is a component that has no effect on the change in the position of the intersection point 22. That is, no matter how the value of the vector k is set, the position of the intersection 22 does not change.

【0048】この第2成分の有する性質を利用して、以
下のようにしてベクトルkの値を算出することにより、
第5関節15の関節軸方向15aと第7関節17の関節
軸方向17aとのずれをできるだけ小さくするように、
第1関節11乃至第4関節14の目標関節角度を算出す
る。
By utilizing the property of the second component, the value of the vector k is calculated as follows,
In order to minimize the deviation between the joint axis direction 15a of the fifth joint 15 and the joint axis direction 17a of the seventh joint 17,
The target joint angles of the first joint 11 to the fourth joint 14 are calculated.

【0049】(1) 手先21の目標姿勢の値から、第
7関節17の関節軸方向17aの単位ベクトルp=(p
1、p2、p3)を算出する。ここで、p1、p2、p
3はベクトルpの空間成分を表す。
(1) From the value of the target posture of the hand 21, the unit vector p = (p of the seventh joint 17 in the joint axis direction 17a)
1, p2, p3) are calculated. Where p1, p2, p
3 represents a spatial component of the vector p.

【0050】(2) 第5関節15の関節軸方向15a
の単位ベクトルq=(q1、q2、q3)を第1関節1
1乃至第4関節14の関節角度θi(i=1〜4)で表
したものをq=(θ1、θ2、θ3、θ4)とすると
き、式(5)を満たすようにベクトルkを求める。
(2) Joint axis direction 15a of the fifth joint 15
Unit vector q = (q1, q2, q3) of the first joint 1
When q = (θ1, θ2, θ3, θ4) is represented by the joint angles θi (i = 1 to 4) of the first to fourth joints 14, the vector k is obtained so as to satisfy the equation (5).

【0051】[0051]

【数4】 ここで、Lは単位ベクトルp=(p1、p2、p3)と
単位ベクトルq=(q1、q2、q3)との距離であ
り、式(5)によって表される。
[Equation 4] Here, L is the distance between the unit vector p = (p1, p2, p3) and the unit vector q = (q1, q2, q3), and is represented by Expression (5).

【0052】[0052]

【数5】 式(4)の計算は、計測自動制御学会誌「計測と制
御」、Vol.25,No.1,吉川恒夫著「ロボット
アームの制御方式」の第2サブタスクの評価関数pをL
と置換し、このLに対して、「ロボットアームの制御方
式」の記載中の(4.6)式の計算を行ったことに相当
する。
[Equation 5] The calculation of the equation (4) is performed by the Society of Instrument and Control Engineers “Measurement and Control”, Vol. 25, no. 1, L of the evaluation function p of the second subtask in "Robot Arm Control Method" by Tsuneo Yoshikawa
It is equivalent to performing the calculation of the equation (4.6) in the description of the “robot arm control method” for this L.

【0053】ただし、本実施例においては、「ロボット
アームの制御方式」の記述と異なり評価関数となるLの
値をなるべく小さくするようにベクトルkの値を決めた
いので、式(4)の右辺に負符号を付けてある。
However, in this embodiment, unlike the description of the "robot arm control system", it is desired to determine the value of the vector k so that the value of L, which is the evaluation function, is as small as possible. Is marked with a minus sign.

【0054】式(4)により算出したベクトルkを用い
て、式(3)における第2成分を求める。そして、式
(3)において、第1成分と第2成分との和を演算して
Δθを求める。上述したように、式(3)から算出した
Δθを現在の関節角度に加えることにより、第1関節乃
至第4関節の目標関節角度を求める。これにより、第5
関節15の関節軸方向15aと第7関節17の関節軸方
向17aとのずれをできるだけ小さくするように、第1
関節11乃至第4関節14の目標関節角度を算出するこ
とができる。
The second component in the equation (3) is obtained by using the vector k calculated by the equation (4). Then, in Expression (3), the sum of the first component and the second component is calculated to obtain Δθ. As described above, the target joint angles of the first joint to the fourth joint are obtained by adding Δθ calculated from the equation (3) to the current joint angle. As a result, the fifth
In order to minimize the deviation between the joint axis direction 15a of the joint 15 and the joint axis direction 17a of the seventh joint 17, the first
The target joint angles of the joints 11 to 14 can be calculated.

【0055】以下にベクトルkの大きさの設定の仕方を
説明する。なお、ベクトルkの大きさは式(4)におけ
る各成分の自乗和の平方根として与えられる。
A method of setting the magnitude of the vector k will be described below. The magnitude of the vector k is given as the square root of the sum of squares of each component in Expression (4).

【0056】ベクトルkの大きさは次のことを満たすよ
うに決められる。
The size of the vector k is determined so as to satisfy the following.

【0057】(1) マニピュレータ1の先端部の3個
の関節である第5関節15乃至第7関節17の関節角度
が基準となる関節角度である基準角度から大きく離れる
につれて、式(3)における第2成分を増大させるよう
にベクトルkの大きさを設定する。これにより、第5関
節15の関節軸方向15aと第7関節17の関節軸方向
17aとのずれが極度に大きくなることを防止すること
ができる。
(1) As the joint angles of the fifth joint 15 to the seventh joint 17, which are the three joints at the tip of the manipulator 1, deviate greatly from the reference angle which is the reference joint angle, Set the magnitude of the vector k to increase the second component. Accordingly, it is possible to prevent the deviation between the joint axis direction 15a of the fifth joint 15 and the joint axis direction 17a of the seventh joint 17 from becoming extremely large.

【0058】(2) マニピュレータ1の基端部の4個
の関節である第1関節11乃至第4関節14の関節角度
が基準角度から大きく離れるにつれて、式(3)におけ
る第2成分を減少させるようにベクトルkの大きさを設
定する。これにより、第1関節11乃至第4関節14の
関節角度が基準角度から極度に離れることを防止するこ
とができる。
(2) As the joint angles of the four joints at the base end of the manipulator 1, that is, the first joint 11 to the fourth joint 14 greatly deviate from the reference angle, the second component in the equation (3) decreases. The magnitude of the vector k is set as follows. As a result, it is possible to prevent the joint angles of the first joint 11 to the fourth joint 14 from being extremely separated from the reference angle.

【0059】次に、上述の(1)および(2)を満たす
ようなベクトルkの大きさの設定について、式(6)乃
至式(10)を用いて具体的に説明する。
Next, the setting of the magnitude of the vector k that satisfies the above (1) and (2) will be concretely described by using equations (6) to (10).

【0060】式(6)に、先端部の3個の関節である第
5関節15乃至第7関節17の関節角度の基準角度から
の偏差ベクトルΔθtを示す。
Equation (6) shows the deviation vector Δθt from the reference angle of the joint angles of the fifth joint 15 to the seventh joint 17, which are the three joints at the tip.

【0061】[0061]

【数6】 また、基端部の4個の関節である第1関節11乃至第4
関節14の関節角度の基準角度からの偏差ベクトルΔθ
rを示す。
[Equation 6] In addition, the first to eleventh joints, which are four joints at the base end,
Deviation vector Δθ of the joint angle of the joint 14 from the reference angle
Indicates r.

【0062】[0062]

【数7】 次に、先端部の3個の関節の関節角度の基準角度からの
距離に相当する評価関数Ltを式(8)によって定義す
る。
[Equation 7] Next, the evaluation function Lt corresponding to the distances of the joint angles of the three joints at the tip from the reference angle is defined by Expression (8).

【0063】[0063]

【数8】 また、基端部の4個の関節の関節角度の基準角度からの
距離に相当する評価関数Lrを式(9)によって定義す
る。
[Equation 8] Further, the evaluation function Lr corresponding to the distances of the joint angles of the four joints at the base end from the reference angle is defined by the equation (9).

【0064】[0064]

【数9】 式(8)および式(9)において、係数ai(1=1〜
7)は第i関節の関節角度の基準角度からの偏差をどれ
だけ重視するかについての重み係数であり、正の定数で
ある。すべての関節について各関節角度の各基準角度か
らの偏差を小さくするためには、例えば係数ai(1=
1〜7)=1のように、すべての成分を1に設定すれば
よい。
[Equation 9] In equations (8) and (9), the coefficient ai (1 = 1 to 1
7) is a weighting coefficient as to how much importance is attached to the deviation of the joint angle of the i-th joint from the reference angle, and is a positive constant. In order to reduce the deviation of each joint angle from each reference angle for all joints, for example, the coefficient ai (1 =
All components may be set to 1 as in 1 to 7) = 1.

【0065】次に、式(10)に示すように、LtとL
rとの比λを求める。
Next, as shown in equation (10), Lt and L
The ratio λ with r is obtained.

【0066】[0066]

【数10】 最終的に、ベクトルkの大きさを比λに比例するように
設定する。
[Equation 10] Finally, the magnitude of the vector k is set to be proportional to the ratio λ.

【0067】このようにベクトルkの大きさを設定する
ことにより、第5関節15の関節軸方向15aと第7関
節17の関節軸方向17aとのずれが極度に大きくなる
ことを防止することができるとともに、基端部の4個の
関節の関節角度が基準角度から極度に離れることを防止
することができる。
By setting the magnitude of the vector k in this way, it is possible to prevent the deviation between the joint axis direction 15a of the fifth joint 15 and the joint axis direction 17a of the seventh joint 17 from becoming extremely large. In addition, the joint angles of the four joints at the base end can be prevented from being extremely separated from the reference angle.

【0068】なお、第5関節15の関節軸の回りのロー
ル回転による関節角度の基準角度からの偏差と、第7関
節17の関節軸の回りのロール回転による関節角度の基
準角度からの偏差とは、互いに逆符号になるようにする
ことによって、無理な姿勢を容易に回避することができ
る。また、手先21の装着された第7関節17の関節軸
の回りのロール回転のみが要求されるときは、第5関節
15の関節軸の回りのロール回転を止めたまま、第7関
節17の関節軸の回りのロール回転の許容範囲内で任意
の姿勢をとることは何等支障がない。
The deviation of the joint angle from the reference angle due to the roll rotation of the fifth joint 15 around the joint axis and the deviation of the joint angle from the reference angle due to the roll rotation of the seventh joint 17 around the joint axis. It is possible to easily avoid an unreasonable posture by setting the signs to have mutually opposite signs. Further, when only the roll rotation around the joint axis of the seventh joint 17 to which the hand 21 is attached is required, the roll rotation around the joint axis of the fifth joint 15 is stopped and the rotation of the seventh joint 17 is stopped. It does not hurt to take any posture within the allowable range of roll rotation around the joint axis.

【0069】本実施例の構成によれば、ベクトルkの大
きさを比λに比例するように設定したので、第5関節1
5の関節軸方向15aと第7関節17の関節軸方向17
aとのずれが極度に大きくなることを防止することがで
きるとともに、基端部の4個の関節の関節角度が基準角
度から極度に離れることを防止することができる。
According to the configuration of this embodiment, the magnitude of the vector k is set to be proportional to the ratio λ, so that the fifth joint 1
5 joint axis direction 15a and 7th joint 17 joint axis direction 17
It is possible to prevent the deviation from “a” from becoming extremely large, and it is possible to prevent the joint angles of the four joints at the base end from being extremely separated from the reference angle.

【0070】この結果、第1関節乃至第7関節の関節角
度の基準関節角度からの各々の偏差の大きさが無理のな
い範囲にあるように選択することができる。そして、あ
る特定の関節の関節角度のみをいたずらに大きくするこ
とを防止することができる。
As a result, it is possible to select the magnitudes of the respective deviations of the joint angles of the first to seventh joints from the reference joint angle within a reasonable range. Then, it is possible to prevent unnecessarily increasing the joint angle of a specific joint.

【0071】また、これによって、ある特定の関節の関
節角度の可動範囲限界によって制限されることなく、マ
ニピュレータ10全体の可動範囲を大きくすることがで
きる。
Further, this makes it possible to increase the movable range of the entire manipulator 10 without being limited by the movable range limit of the joint angle of a specific joint.

【0072】また、式(8)および式(9)における係
数ai(1=1〜7)の値を適当に設定することができ
るので、各関節の関節角度の基準関節角度からの偏差を
各々の偏差が有する許容範囲に応じて重みずけをするこ
とができる。
Since the values of the coefficients ai (1 = 1 to 7) in the equations (8) and (9) can be set appropriately, the deviation of the joint angle of each joint from the reference joint angle is calculated. The weighting can be performed according to the allowable range of the deviation.

【0073】この結果、ある目標位置および目標姿勢を
実現する上で、例えば負担を少なくしたい関節にたいし
てはその負担を少なくすることができる。
As a result, in realizing a certain target position and target posture, for example, it is possible to reduce the burden on the joint for which the burden is desired to be reduced.

【0074】なお、ベクトルkの大きさを比λに比例す
るとしたが比λそのものに比例しなくとも、例えば比λ
の自乗に比例する等、比λに関する量に依存するように
設定すればよい。
Although the magnitude of the vector k is assumed to be proportional to the ratio λ, it may be proportional to the ratio λ, for example, the ratio λ.
It may be set so as to be dependent on the amount related to the ratio λ, such as being proportional to the square of.

【0075】[0075]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、位置演算装置は目標姿勢を規定する第1関節乃至
第4関節の4個の関節の残余の一自由度を利用して、第
5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの
大きさを小さくするように作用する第1関節乃至第4関
節の関節角度の成分の大きさが所定範囲で変動するよう
に第1関節乃至第4関節の目標関節角度を演算する。こ
の結果、第1関節乃至第7関節の関節角度の基準関節角
度からの各々の偏差の大きさが所定範囲にあるようにす
ることができ、マニピュレータの目標位置および目標姿
勢を実現する関節角度の中で、マニピュレータの各関節
は無理のない関節角度をとることができる。
As described above, according to the configuration of the present invention, the position calculation device utilizes the remaining one degree of freedom of the four joints, the first joint to the fourth joint, which define the target posture. , The magnitudes of the components of the joint angles of the first to fourth joints that act to reduce the magnitude of the deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint vary within a predetermined range. Thus, the target joint angles of the first to fourth joints are calculated. As a result, the magnitude of each deviation of the joint angles of the first joint to the seventh joint from the reference joint angle can be set within a predetermined range, and the joint angle that realizes the target position and the target posture of the manipulator can be set. Inside, each joint of the manipulator can take a reasonable joint angle.

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

【図1】本発明のマニピュレータ制御装置の一実施例の
ブロック図。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a manipulator control device of the present invention.

【図2】本発明のマニピュレータ制御装置の制御対象と
なるマニピュレータを示す斜視図(A)と、マニピュレ
ータの関節の構成関係を概略的に示す図(B)。
FIG. 2 is a perspective view (A) showing a manipulator to be controlled by the manipulator control device of the present invention, and a view (B) schematically showing a structural relationship of joints of the manipulator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マニピュレータ制御装置 2 位置演算装置 3 姿勢演算装置 4 関節角度制御装置 5 第1成分 6 第2成分 10 マニピュレータ 11 第1関節 11a 第1関節の関節軸方向 12 第2関節 12a 第2関節の関節軸方向 13 第3関節 13a 第3関節の関節軸方向 14 第4関節 14a 第4関節の関節軸方向 15 第5関節 15a 第5関節の関節軸方向 16 第6関節 16a 第6関節の関節軸方向 17 第7関節 20 基台 21 手先 22 交点 1 Manipulator control device 2 Position calculation device 3 Posture calculation device 4 Joint angle control device 5 1st component 6 2nd component 10 Manipulator 11 1st joint 11a Joint axis direction of 1st joint 12 2nd joint 12a Joint axis of 2nd joint Direction 13 Third joint 13a Joint axis direction of the third joint 14 Fourth joint 14a Joint axis direction of the fourth joint 15 Fifth joint 15a Joint axis direction of the fifth joint 16 Sixth joint 16a Joint axis direction of the sixth joint 17 7th joint 20 Base 21 Minus 22 Intersection

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】第1関節乃至第7関節の7個の関節を有す
るマニピュレータの制御装置であって、前記マニピュレ
ータの先端部の第5関節乃至第7関節の3個の関節が互
いにロール・ピッチ・ロールの関係にあるとともに第5
関節乃至第7関節の関節軸が一つの交点を有し、前記制
御装置は前記交点の位置を目標位置に従うようにかつ第
7関節に装着された手先の姿勢を目標姿勢に従うように
各々制御するものであり、前記制御装置は前記手先の目
標姿勢の値より第5関節乃至第7関節の目標関節角度を
演算する姿勢演算装置と、前記交点の目標位置の値より
目標位置を実現するための第1関節乃至第4関節の関節
角度の成分と第5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸
方向とのずれの大きさを小さくするように作用する第1
関節乃至第4関節の関節角度の成分とを演算し、これら
の成分を加算して第1関節乃至第4関節の目標関節角度
を演算する位置演算装置と、前記姿勢演算装置および前
記位置演算装置の演算結果により第1関節乃至第7関節
の関節角度を制御する関節角度制御装置とを備え、前記
位置演算装置は、第5関節の関節軸方向と第7関節の関
節軸方向とのずれの大きさを小さくするように作用する
第1関節乃至第4関節の関節角度の成分の大きさを、第
5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの
大きさに応じて変動させることによって、第1関節乃至
第7関節の関節角度の基準関節角度からの各々の偏差の
大きさが所定範囲にあるように第1関節乃至第4関節の
目標関節角度を演算することを特徴とするマニピュレー
タ制御装置。
1. A control device for a manipulator having seven joints of a first joint to a seventh joint, wherein three joints of a fifth joint to a seventh joint at a tip end portion of the manipulator roll / pitch each other.・ Fifth while having a roll relationship
The joint axis of the joint to the seventh joint has one intersection, and the control device controls the position of the intersection to follow the target position and the posture of the hand attached to the seventh joint to follow the target posture. The control device is for realizing a target position from a posture calculation device that calculates a target joint angle of the fifth joint to a seventh joint from the value of the target posture of the hand and a target position value of the intersection. A first joint that acts to reduce the magnitude of the deviation between the joint angle component of the first joint to the fourth joint, the joint axial direction of the fifth joint, and the joint axial direction of the seventh joint
A position calculation device that calculates a component of a joint angle of the joint to the fourth joint and calculates a target joint angle of the first joint to the fourth joint by adding these components, the posture calculation device, and the position calculation device And a joint angle control device that controls the joint angles of the first to seventh joints according to the calculation result of 1., and the position calculation device detects the deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint. The magnitude of the component of the joint angle of the first joint to the fourth joint, which acts to reduce the magnitude, is determined according to the magnitude of the deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint. By varying, the target joint angles of the first joint to the fourth joint are calculated so that the magnitudes of the deviations of the joint angles of the first joint to the seventh joint from the reference joint angle are within a predetermined range. Characteristic manipulator control device.
【請求項2】第5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸
方向とのずれの大きさを小さくするように作用する第1
関節乃至第4関節の関節角度の成分の大きさは、第5関
節乃至第7関節の関節角度の基準関節角度からの距離と
第1関節乃至第4関節の関節角度の基準関節角度からの
距離との比またはこの比に関する量に比例することを特
徴とする請求項1に記載のマニピュレータ制御装置。
2. A first unit which acts so as to reduce the amount of deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint.
The magnitudes of the components of the joint angles of the joints to the fourth joint are the distances from the reference joint angle of the joint angles of the fifth joint to the seventh joint and the distances of the joint angles of the first joint to the fourth joint from the reference joint angle. The manipulator control device according to claim 1, wherein the manipulator control device is proportional to a ratio with or a quantity related to this ratio.
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