JPH06246652A - 重量物ハンドリング用マニピュレータ装置 - Google Patents
重量物ハンドリング用マニピュレータ装置Info
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- JPH06246652A JPH06246652A JP5032895A JP3289593A JPH06246652A JP H06246652 A JPH06246652 A JP H06246652A JP 5032895 A JP5032895 A JP 5032895A JP 3289593 A JP3289593 A JP 3289593A JP H06246652 A JPH06246652 A JP H06246652A
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- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 9
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 8
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 6
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 5
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 4
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
Abstract
(57)【要約】
【目的】 重量対象物を作業者があたかも重量および慣
性を感じないように操作できる重量物ハンドリング用マ
ニピュレータ装置を提供する。 【構成】 外部干渉力・トルク検出部３ａは、多関節マ
ニピュレータ１の各関節角・関節角速度信号４とマニピ
ュレータ先端力・トルク信号５とオペレータ操作力・ト
ルク信号６を入力として重量物１１に加わる外部干渉力
およびトルクを算出し、出力する。モデル軌道発生部３
ｂは、オペレータ操作力・トルク信号６と外部干渉力・
トルク信号７とを入力として任意の剛体ダイナミクス８
に対するモデル軌道９を出力する。モデル軌道追従制御
部３ｃは、多関節マニピュレータ１の各関節角・関節角
速度信号４とモデル軌道９を入力として重量物操作用ハ
ンドル２の位置、姿勢をモデル軌道９に追従させるため
の多関節マニピュレータ１の関節トルク１０を発生す
る。
性を感じないように操作できる重量物ハンドリング用マ
ニピュレータ装置を提供する。 【構成】 外部干渉力・トルク検出部３ａは、多関節マ
ニピュレータ１の各関節角・関節角速度信号４とマニピ
ュレータ先端力・トルク信号５とオペレータ操作力・ト
ルク信号６を入力として重量物１１に加わる外部干渉力
およびトルクを算出し、出力する。モデル軌道発生部３
ｂは、オペレータ操作力・トルク信号６と外部干渉力・
トルク信号７とを入力として任意の剛体ダイナミクス８
に対するモデル軌道９を出力する。モデル軌道追従制御
部３ｃは、多関節マニピュレータ１の各関節角・関節角
速度信号４とモデル軌道９を入力として重量物操作用ハ
ンドル２の位置、姿勢をモデル軌道９に追従させるため
の多関節マニピュレータ１の関節トルク１０を発生す
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、重量物を操作する時に
作業者と協調して作業を進める重量物ハンドリング用マ
ニピュレータ装置に関する。
作業者と協調して作業を進める重量物ハンドリング用マ
ニピュレータ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】建柱作業のような重量物を取り扱う必要
のある作業においては、従来クレーン等により重量物を
吊上げる方式が用いられているが、吊上げた重量物を作
業者が扱うのが非常に難しいという欠点があった。ま
た、作業者がクレーン等を介して重量物を操作する場合
も対象物を扱うことが困難で、かつ作業者に非常に危険
であり、人間にやさしいシステムを構築することができ
なかった。
のある作業においては、従来クレーン等により重量物を
吊上げる方式が用いられているが、吊上げた重量物を作
業者が扱うのが非常に難しいという欠点があった。ま
た、作業者がクレーン等を介して重量物を操作する場合
も対象物を扱うことが困難で、かつ作業者に非常に危険
であり、人間にやさしいシステムを構築することができ
なかった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、重量
対象物を作業者があたかも重量および慣性を感じないよ
うに操作できる重量物ハンドリング用マニピュレータ装
置を提供することにある。
対象物を作業者があたかも重量および慣性を感じないよ
うに操作できる重量物ハンドリング用マニピュレータ装
置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明の重量物ハンドリ
ング用マニピュレータ装置は、先端に６軸力センサと重
量物把持装置を具備する多関節マニピュレータと、操作
対象重量物に脱着可能で、操作者が加える力およびトル
クを検出する６軸力センサを内蔵した重量物操作用ハン
ドルと、多関節マニピュレータの各関節角、関節角速度
および６軸力センサ信号と重量物操作用ハンドルの６軸
力センサ信号を入力として操作対象重量物に加わる外部
干渉力およびトルクを算出し、出力する外部干渉力・ト
ルク検出部と、重量物操作用ハンドルの６軸力センサ信
号と外部干渉力・トルク検出部の出力信号とを入力とし
て任意の剛体ダイナミクスに対するモデル軌道を出力す
るモデル軌道発生部と、多関節マニピュレータの各関節
角および関節角速度とモデル軌道発生部の出力信号を入
力として重量物操作用ハンドルの位置、姿勢を前記モデ
ル軌道に追従させるための多関節マニピュレータへの入
力トルクを発生するモデル軌道追従制御部とを含むコン
トローラとを有する。
ング用マニピュレータ装置は、先端に６軸力センサと重
量物把持装置を具備する多関節マニピュレータと、操作
対象重量物に脱着可能で、操作者が加える力およびトル
クを検出する６軸力センサを内蔵した重量物操作用ハン
ドルと、多関節マニピュレータの各関節角、関節角速度
および６軸力センサ信号と重量物操作用ハンドルの６軸
力センサ信号を入力として操作対象重量物に加わる外部
干渉力およびトルクを算出し、出力する外部干渉力・ト
ルク検出部と、重量物操作用ハンドルの６軸力センサ信
号と外部干渉力・トルク検出部の出力信号とを入力とし
て任意の剛体ダイナミクスに対するモデル軌道を出力す
るモデル軌道発生部と、多関節マニピュレータの各関節
角および関節角速度とモデル軌道発生部の出力信号を入
力として重量物操作用ハンドルの位置、姿勢を前記モデ
ル軌道に追従させるための多関節マニピュレータへの入
力トルクを発生するモデル軌道追従制御部とを含むコン
トローラとを有する。
【０００５】
【作用】６自由度を持つ剛体重量物を多関節マニピュレ
ータで直接把持してダイナミックに操り、重量物にあた
かも操作者にとって操作しやすい６自由度のモデルダイ
ナミクスに従うような挙動をさせることによって、操作
対象物の大きな重量や慣性を見かけ上小さくすることが
可能となり、建柱作業のような重量物を取り扱う作業の
効率化と省力化が達成できる。
ータで直接把持してダイナミックに操り、重量物にあた
かも操作者にとって操作しやすい６自由度のモデルダイ
ナミクスに従うような挙動をさせることによって、操作
対象物の大きな重量や慣性を見かけ上小さくすることが
可能となり、建柱作業のような重量物を取り扱う作業の
効率化と省力化が達成できる。
【０００６】
【実施例】次に、本発明の実施例について説明する。図
１は本発明の一実施例の重量物ハンドリング用マニピュ
レータ装置の構成図である。
１は本発明の一実施例の重量物ハンドリング用マニピュ
レータ装置の構成図である。
【０００７】本実施例の重量物ハンドリング用マニピュ
レータ装置は、先端に６軸力センサである力・トルクセ
ンサ１ａと重量物把持装置１ｂを具備する多関節マニピ
ュレータ１と、操作対象物である重量物１１に脱着可能
で、作業者が加える力およびトルクを検出する６軸力セ
ンサ（不図示）を内蔵した重量物操作用ハンドル２と、
多関節マニピュレータ１の各関節角・関節角速度信号４
とマニピュレータ先端力・トルク信号５と６軸力センサ
の出力信号であるオペレータ操作力・トルク信号６を入
力し、多関節マニピュレータ１に関節トルク１０を与え
るコントローラ３で構成されている。
レータ装置は、先端に６軸力センサである力・トルクセ
ンサ１ａと重量物把持装置１ｂを具備する多関節マニピ
ュレータ１と、操作対象物である重量物１１に脱着可能
で、作業者が加える力およびトルクを検出する６軸力セ
ンサ（不図示）を内蔵した重量物操作用ハンドル２と、
多関節マニピュレータ１の各関節角・関節角速度信号４
とマニピュレータ先端力・トルク信号５と６軸力センサ
の出力信号であるオペレータ操作力・トルク信号６を入
力し、多関節マニピュレータ１に関節トルク１０を与え
るコントローラ３で構成されている。
【０００８】コントローラ３は、多関節マニピュレータ
１の各関節角・関節角速度信号４とオペレータ操作力・
トルク信号６とマニピュレータ先端力・トルク信号５を
入力して重量物１１に加わる外部干渉力およびトルクを
算出し、外部干渉力・トルク信号７を出力する外部干渉
力・トルク検出部３ａと、オペレータ操作力・トルク信
号６と外部干渉力・トルク信号７を入力し、モデルダイ
ナミクスパラメータ８で与えられる任意の剛体ダイナミ
クスに対するモデル軌道９を出力するモデル軌道発生部
３ｂと、多関節マニピュレータ１の各関節角・関節角速
度信号４とモデル軌道９を入力し、重量物操作用ハンド
ル２の位置、姿勢をモデル軌道９に追従させるための、
多関節マニピュレータ１の関節トルク１０を発生するモ
デル軌道追従制御部３ｃで構成されている。
１の各関節角・関節角速度信号４とオペレータ操作力・
トルク信号６とマニピュレータ先端力・トルク信号５を
入力して重量物１１に加わる外部干渉力およびトルクを
算出し、外部干渉力・トルク信号７を出力する外部干渉
力・トルク検出部３ａと、オペレータ操作力・トルク信
号６と外部干渉力・トルク信号７を入力し、モデルダイ
ナミクスパラメータ８で与えられる任意の剛体ダイナミ
クスに対するモデル軌道９を出力するモデル軌道発生部
３ｂと、多関節マニピュレータ１の各関節角・関節角速
度信号４とモデル軌道９を入力し、重量物操作用ハンド
ル２の位置、姿勢をモデル軌道９に追従させるための、
多関節マニピュレータ１の関節トルク１０を発生するモ
デル軌道追従制御部３ｃで構成されている。
【０００９】次に、外部干渉力・トルク検出部３ａ，モ
デル軌道発生部３ｂ、モデル軌道追従制御部３ｃについ
て詳細に説明する。
デル軌道発生部３ｂ、モデル軌道追従制御部３ｃについ
て詳細に説明する。
【００１０】一般に、剛体の運動方程式はその重心位
置、姿勢を示す３次元ベクトルをそれぞれｘp ，φp と
おけば次のように表される。
置、姿勢を示す３次元ベクトルをそれぞれｘp ，φp と
おけば次のように表される。
【００１１】
【数１】 ここで、ｍp ，Ｉp はそれぞれ対象物体(重量物)１１の
質量と慣性テンソル、
質量と慣性テンソル、
【００１２】
【外１】 は角速度ベクトル、ｇは重力加速度、ｆh ，ｎh はそれ
ぞれ重量物操作用ハンドル２が重量物１１に及ぼす力と
モーメント、ｆe ，ｎe はそれぞれ外部干渉力とモーメ
ント、ｆm ，ｎm はそれぞれ多関節マニピュレータ１が
対象物体１１に及ぼす力とモーメント、ｒch，ｒce，ｒ
cmはそれぞれ対象物体１１の重心からみた重量物操作用
ハンドル２の位置ベクトル、外部干渉力・モーメントの
作用ポイントベクトル、多関節マニピュレータ１の把持
ポイントベクトルを表す。それぞれの物理パラメータが
予め正確に分かっている場合は少ないので、例えば多関
節マニピュレータ１が対象物体１１を把持して静止して
いるときの釣合の式
ぞれ重量物操作用ハンドル２が重量物１１に及ぼす力と
モーメント、ｆe ，ｎe はそれぞれ外部干渉力とモーメ
ント、ｆm ，ｎm はそれぞれ多関節マニピュレータ１が
対象物体１１に及ぼす力とモーメント、ｒch，ｒce，ｒ
cmはそれぞれ対象物体１１の重心からみた重量物操作用
ハンドル２の位置ベクトル、外部干渉力・モーメントの
作用ポイントベクトル、多関節マニピュレータ１の把持
ポイントベクトルを表す。それぞれの物理パラメータが
予め正確に分かっている場合は少ないので、例えば多関
節マニピュレータ１が対象物体１１を把持して静止して
いるときの釣合の式
【００１３】
【数２】
【００１４】
【数３】 から質量ｍp ，慣性テンソルｒcmを求め、慣性テンソル
ｒcmについては対象物体１１の形状等を考慮して決定す
るか、あるいは各回転軸について周期的な微小振動を与
えてマニピュレータ先端に作用する反力を測定して決定
すればよい。マニピュレータ先端と対象物重心１１の相
対位置関係が分かれば、多関節マニピュレータ１の各関
節角・角速度信号４およびこれから得られる角加速度情
報を利用して対象物体１１の速度、加速度、角速度、角
加速度の各ベクトルが求められるので、これらを（１）
式に代入して外部干渉力ｆe およびモーメントｎe が得
られる。以上が外部干渉力・トルク検出部３ａの構成例
である。
ｒcmについては対象物体１１の形状等を考慮して決定す
るか、あるいは各回転軸について周期的な微小振動を与
えてマニピュレータ先端に作用する反力を測定して決定
すればよい。マニピュレータ先端と対象物重心１１の相
対位置関係が分かれば、多関節マニピュレータ１の各関
節角・角速度信号４およびこれから得られる角加速度情
報を利用して対象物体１１の速度、加速度、角速度、角
加速度の各ベクトルが求められるので、これらを（１）
式に代入して外部干渉力ｆe およびモーメントｎe が得
られる。以上が外部干渉力・トルク検出部３ａの構成例
である。
【００１５】モデル軌道発生部３ｂの一例としては、例
えば重心位置、姿勢、角速度を示す３次元ベクトルをそ
れぞれｘd ，φd ，ωd としたとき次のような運動方程
式で記述される仮想的な６自由度剛体モデルの示す軌道
を考えることができる。
えば重心位置、姿勢、角速度を示す３次元ベクトルをそ
れぞれｘd ，φd ，ωd としたとき次のような運動方程
式で記述される仮想的な６自由度剛体モデルの示す軌道
を考えることができる。
【００１６】
【数４】 ただし、
【００１７】
【外２】 はダンピング要素を表す行列、
【００１８】
【外３】 はばね要素を表す行列、Γh は重量物操作用ハンドル２
を通して重量物１１に作用する力ｆh およびモーメント
ｎhに関する重み行列、Γe は外部干渉力ｆe およびモ
ーメントｎe が重量物１１に作用する際の重み行列であ
る。ここで、ダンピング要素を表わす行列
を通して重量物１１に作用する力ｆh およびモーメント
ｎhに関する重み行列、Γe は外部干渉力ｆe およびモ
ーメントｎe が重量物１１に作用する際の重み行列であ
る。ここで、ダンピング要素を表わす行列
【００１９】
【外４】 ばね要素を表す行列
【００２０】
【外５】 は外部から与えられるダイナミクスパラメータ８を構成
している。
している。
【００２１】次に、モデル軌道追従制御部３ｃの構成例
について説明する。多関節マニピュレータ１が対象物体
１１を把持した状態の運動方程式が次式で表されるもの
とする。
について説明する。多関節マニピュレータ１が対象物体
１１を把持した状態の運動方程式が次式で表されるもの
とする。
【００２２】
【数５】 ここで、Ｍm は対象物体１１のダイナミクスを含む全系
の慣性行列、ｈm はコリオリ力や重力の影響による干渉
トルク、τm は関節駆動トルク、Ｊe は外部干渉力・モ
ーメントの作用ポイントに関するヤコビ行列、Ｊh は重
量物操作用ハンドル２の位置・姿勢に関するヤコビ行列
を示す。このシステムに対して、例えば第１０回日本ロ
ボット学会学術講演会予稿集、１９９２の吉田らの文献
“多自由度マスタ・スレーブマニピュレータシステムの
外乱補償型ディジタルコントローラの一設計”に示され
ているような外乱オブザーバによるモデル化誤差の補償
制御をおこなえば（５）式のダイナミクスは見かけ上次
のような運動方程式で記述されるようになる。
の慣性行列、ｈm はコリオリ力や重力の影響による干渉
トルク、τm は関節駆動トルク、Ｊe は外部干渉力・モ
ーメントの作用ポイントに関するヤコビ行列、Ｊh は重
量物操作用ハンドル２の位置・姿勢に関するヤコビ行列
を示す。このシステムに対して、例えば第１０回日本ロ
ボット学会学術講演会予稿集、１９９２の吉田らの文献
“多自由度マスタ・スレーブマニピュレータシステムの
外乱補償型ディジタルコントローラの一設計”に示され
ているような外乱オブザーバによるモデル化誤差の補償
制御をおこなえば（５）式のダイナミクスは見かけ上次
のような運動方程式で記述されるようになる。
【００２３】
【数６】 ここで、
【００２４】
【外６】 は慣性行列Ｍm のモデルである。このとき、Ｕm を新し
い制御入力であると考えて次のような関節駆動トルク入
力
い制御入力であると考えて次のような関節駆動トルク入
力
【００２５】
【数７】 を与えれば、結果的にＸh （＝［ｘh ，φh ］T ）を重
量物操作用ハンドル２の位置・姿勢を表す６次元ベクト
ルとして次式を得る。
量物操作用ハンドル２の位置・姿勢を表す６次元ベクト
ルとして次式を得る。
【００２６】
【数８】 Ｘh を（４）式のモデル軌道に追従させるには適当な正
定値のゲインマトリクスＫ1 ，Ｋ2 を用いて制御入力Ｕ
m を次のように与えればよい。
定値のゲインマトリクスＫ1 ，Ｋ2 を用いて制御入力Ｕ
m を次のように与えればよい。
【００２７】
【数９】 本実施例によれば、モデル軌道発生部３ｂに与えるモデ
ルダイナミクスパラメータ８を適宜選択し、重量物操作
用ハンドル２のモデル軌道９を決定し、モデル軌道９に
対応する関節トルク１０を多関節マニピュレータ１に与
えることにより、対象重量物１１を見かけ上軽量化する
ことが可能となる。
ルダイナミクスパラメータ８を適宜選択し、重量物操作
用ハンドル２のモデル軌道９を決定し、モデル軌道９に
対応する関節トルク１０を多関節マニピュレータ１に与
えることにより、対象重量物１１を見かけ上軽量化する
ことが可能となる。
【００２８】図２は本発明の重量物ハンドリング用多関
節マニピュレータ装置を備えた建柱作業車の斜視図であ
る。この建柱作業車は、地下の埋設物を探知する埋設物
探知装置１００と、電柱を建てる穴を掘る吸土型電柱穴
掘装置２００と、電柱を把持して電柱穴に電柱を建てる
重量物ハンドリング用マニピュレータ装置３００を備え
ている。
節マニピュレータ装置を備えた建柱作業車の斜視図であ
る。この建柱作業車は、地下の埋設物を探知する埋設物
探知装置１００と、電柱を建てる穴を掘る吸土型電柱穴
掘装置２００と、電柱を把持して電柱穴に電柱を建てる
重量物ハンドリング用マニピュレータ装置３００を備え
ている。
【００２９】本建柱作業車を用いれば、対象物の重量と
慣性が非常に小さく、作業者が重量物ハンドリング用マ
ニピュレータ装置３００と協調して容易に建柱作業を進
めることができる。
慣性が非常に小さく、作業者が重量物ハンドリング用マ
ニピュレータ装置３００と協調して容易に建柱作業を進
めることができる。
【００３０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、操作対
象重量物を先端に把持する機能を備えた多関節マニピュ
レータを用いて対象重量物をダイナミックに操作できる
ようにし、適当なダイナミクスを有する仮想的な剛体と
して振舞うようにすることで、対象重量物を見かけ上軽
量化でき、作業の効率化と省力化を実現するという効果
がある。
象重量物を先端に把持する機能を備えた多関節マニピュ
レータを用いて対象重量物をダイナミックに操作できる
ようにし、適当なダイナミクスを有する仮想的な剛体と
して振舞うようにすることで、対象重量物を見かけ上軽
量化でき、作業の効率化と省力化を実現するという効果
がある。
【図１】本発明の一実施例の重量物ハンドリング用マニ
ピュレータ装置の構成図である。
ピュレータ装置の構成図である。
【図２】本発明の重量物ハンドリング用マニピュレータ
装置を備えた建柱作業車の斜視図である。
装置を備えた建柱作業車の斜視図である。
１ 多関節マニピュレータ １ａ 力・トルクセンサ １ｂ 重量物把持装置 ２ 重量物操作用ハンドル ３ コントローラ ３ａ 外部干渉力・トルク検出部 ３ｂ モデル軌道発生部 ３ｃ モデル軌道追従制御部 ４ 関節角・関節角速度信号 ５ マニピュレータ先端力・トルク信号 ６ オペレータ操作力・トルク信号 ７ 外部干渉力・トルク信号 ８ モデルダイナミクスパラメータ ９ モデル軌道 １０ 関節トルク １１ 重量物 １００ 埋設物探知装置 ２００ 吸土型電柱穴掘装置 ３００ 重量物ハンドリング用マニピュレータ装置
Claims (1)
- 【請求項１】 先端に６軸力センサと重量物把持装置を
具備する多関節マニピュレータと、 操作対象重量物に脱着可能で、操作者が加える力および
トルクを検出する６軸力センサを内蔵した重量物操作用
ハンドルと、 前記多関節マニピュレータの各関節角、関節角速度およ
び６軸力センサ信号と前記重量物操作用ハンドルの６軸
力センサ信号を入力として前記操作対象重量物に加わる
外部干渉力およびトルクを算出し、出力する外部干渉力
・トルク検出部と、前記重量物操作用ハンドルの６軸力
センサ信号と前記外部干渉力・トルク検出部の出力信号
とを入力として任意の剛体ダイナミクスに対するモデル
軌道を出力するモデル軌道発生部と、前記多関節マニピ
ュレータの各関節角および関節角速度と前記モデル軌道
発生部の出力信号を入力として前記重量物操作用ハンド
ルの位置、姿勢を前記モデル軌道に追従させるための前
記多関節マニピュレータへの入力トルクを発生するモデ
ル軌道追従制御部とを含むコントローラとを有する重量
物ハンドリング用マニピュレータ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5032895A JPH06246652A (ja) | 1993-02-23 | 1993-02-23 | 重量物ハンドリング用マニピュレータ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5032895A JPH06246652A (ja) | 1993-02-23 | 1993-02-23 | 重量物ハンドリング用マニピュレータ装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06246652A true JPH06246652A (ja) | 1994-09-06 |
Family
ID=12371631
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5032895A Pending JPH06246652A (ja) | 1993-02-23 | 1993-02-23 | 重量物ハンドリング用マニピュレータ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06246652A (ja) |
Cited By (17)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPH09222910A (ja) * | 1996-02-20 | 1997-08-26 | Yaskawa Electric Corp | 多軸ロボットの制御装置 |
| JPH10249769A (ja) * | 1997-01-13 | 1998-09-22 | Sankyo Seiki Mfg Co Ltd | 力補助装置の操作装置 |
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