JPH0788786A - マニピュレータおよびその制御方法 - Google Patents
マニピュレータおよびその制御方法Info
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- JPH0788786A JPH0788786A JP23693193A JP23693193A JPH0788786A JP H0788786 A JPH0788786 A JP H0788786A JP 23693193 A JP23693193 A JP 23693193A JP 23693193 A JP23693193 A JP 23693193A JP H0788786 A JPH0788786 A JP H0788786A
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- Japan
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- arm
- macro
- joint
- force
- target
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 長腕化・軽量化、および、作業の高精度化が
容易なマニピュレータを提供すること。 【構成】 マニピュレータは、柔構造を有するフレキシ
ブル・リンク１３−１，１３−２を用いたマクロアーム
１０と、剛構造を有する剛体リンク２３−１，２３−２
を用いたマイクロア−ム２０とから構成される。位置制
御・力制御を行なう際に、マクロアーム１０では、作業
チャック２５に加える力を考慮した大まかな位置制御が
行なわれる一方、マイクロアーム２０では、マクロアー
ム１０での誤差を補償するように、位置制御および力制
御が行なわれるので、作業の高精度とすることができ
る。マイクロアーム２０は、マクロアーム１０よりも充
分に小型であるので、容易に長腕化・軽量化が達成され
る。
容易なマニピュレータを提供すること。 【構成】 マニピュレータは、柔構造を有するフレキシ
ブル・リンク１３−１，１３−２を用いたマクロアーム
１０と、剛構造を有する剛体リンク２３−１，２３−２
を用いたマイクロア−ム２０とから構成される。位置制
御・力制御を行なう際に、マクロアーム１０では、作業
チャック２５に加える力を考慮した大まかな位置制御が
行なわれる一方、マイクロアーム２０では、マクロアー
ム１０での誤差を補償するように、位置制御および力制
御が行なわれるので、作業の高精度とすることができ
る。マイクロアーム２０は、マクロアーム１０よりも充
分に小型であるので、容易に長腕化・軽量化が達成され
る。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、装置の軽量化ならび
に作業の高精度化が可能なマニピュレータおよびその制
御方法に関する。
に作業の高精度化が可能なマニピュレータおよびその制
御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、作業速度や作業性能の向上のた
め、マニピュレータの長腕化・軽量化が進められてお
り、これによって、作業領域を宇宙とするマニピュレー
タにおいて、打ち上げコストや動作コストを大幅に小さ
くすることができる。アームが剛体リンクからのみ構成
される従来のマニピュレータでは、長腕化・軽量化が困
難であるので、アームに柔構造を有するもの（例えば、
フレキシブル・アーム）を採用することが考えられる。
め、マニピュレータの長腕化・軽量化が進められてお
り、これによって、作業領域を宇宙とするマニピュレー
タにおいて、打ち上げコストや動作コストを大幅に小さ
くすることができる。アームが剛体リンクからのみ構成
される従来のマニピュレータでは、長腕化・軽量化が困
難であるので、アームに柔構造を有するもの（例えば、
フレキシブル・アーム）を採用することが考えられる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、柔構造
を有するアームは、振動やたわみが発生しやすく、位置
制御を行なう際には、これらを補償することが重要な問
題となる。さらに、マニピュレータ全体を考えた場合、
位置制御だけではなく、対象物に加える力を制御する力
制御をも考慮しなければならない。また、アームに柔構
造を有するもののみを採用すると、細かい動作をさせる
ことが難しく、高精度な作業が困難である、という問題
があった。この発明は、上述した問題に鑑みてなされた
もので、長腕化・軽量化、および、作業の高精度化が容
易なマニピュレータを提供することを目的としている。
を有するアームは、振動やたわみが発生しやすく、位置
制御を行なう際には、これらを補償することが重要な問
題となる。さらに、マニピュレータ全体を考えた場合、
位置制御だけではなく、対象物に加える力を制御する力
制御をも考慮しなければならない。また、アームに柔構
造を有するもののみを採用すると、細かい動作をさせる
ことが難しく、高精度な作業が困難である、という問題
があった。この発明は、上述した問題に鑑みてなされた
もので、長腕化・軽量化、および、作業の高精度化が容
易なマニピュレータを提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上述した問題を解決する
ために、請求項１に記載の発明は、柔構造を有する複数
の腕部材を、屈曲自在であってその屈曲角度を出力する
関節にてそれぞれ結合してなるマクロアームと、剛構造
を有する複数の腕部材を屈曲自在であってその屈曲角度
を出力する関節にてそれぞれ結合してなり、前記マクロ
アームよりも作業領域が小さく、一端が前記マクロアー
ムに接続される一方、他端が作業を行なうマイクロアー
ムと、前記柔構造を有する複数の腕部材の歪みをそれぞ
れ検出する歪検出手段と、前記マイクロアームの他端で
の作業力を検出する力検出手段と、前記マクロアームの
各関節の屈曲角度が目標関節角度に一致するように、前
記マクロアームの各関節を制御するとともに、前記歪検
出手段により検出された前記複数の腕部材の各歪と、前
記各関節の屈曲角度とから、前記マイクロアームでの他
端での作業位置を演算し、該作業位置と前記力検出手段
により検出された作業力とがそれぞれ目標値に一致する
ように前記マイクロアームの各関節を制御する演算・制
御手段とを具備することを特徴としている。
ために、請求項１に記載の発明は、柔構造を有する複数
の腕部材を、屈曲自在であってその屈曲角度を出力する
関節にてそれぞれ結合してなるマクロアームと、剛構造
を有する複数の腕部材を屈曲自在であってその屈曲角度
を出力する関節にてそれぞれ結合してなり、前記マクロ
アームよりも作業領域が小さく、一端が前記マクロアー
ムに接続される一方、他端が作業を行なうマイクロアー
ムと、前記柔構造を有する複数の腕部材の歪みをそれぞ
れ検出する歪検出手段と、前記マイクロアームの他端で
の作業力を検出する力検出手段と、前記マクロアームの
各関節の屈曲角度が目標関節角度に一致するように、前
記マクロアームの各関節を制御するとともに、前記歪検
出手段により検出された前記複数の腕部材の各歪と、前
記各関節の屈曲角度とから、前記マイクロアームでの他
端での作業位置を演算し、該作業位置と前記力検出手段
により検出された作業力とがそれぞれ目標値に一致する
ように前記マイクロアームの各関節を制御する演算・制
御手段とを具備することを特徴としている。
【０００５】また、請求項２記載の発明は、上記構成に
おいて、前記目標関節角度は、前記マイクロアームの他
端での作業位置が目標位置にある場合であって作業対象
物に力を加えていない場合における各関節の屈曲角度を
保持した状態で、目標とする作業力が加わった際の、前
記柔構造を有する複数の腕部材の歪みを与える、前記マ
クロアームの各関節の屈曲角度であることを特徴として
いる。
おいて、前記目標関節角度は、前記マイクロアームの他
端での作業位置が目標位置にある場合であって作業対象
物に力を加えていない場合における各関節の屈曲角度を
保持した状態で、目標とする作業力が加わった際の、前
記柔構造を有する複数の腕部材の歪みを与える、前記マ
クロアームの各関節の屈曲角度であることを特徴として
いる。
【０００６】同様に、上述した問題を解決するために、
請求項３に記載の発明は、柔構造を有する複数の腕部材
を、屈曲自在であってその屈曲角度を出力する関節にて
それぞれ結合してなるマクロアームと、剛構造を有する
複数の腕部材を、屈曲自在であってその屈曲角度を出力
する関節にてそれぞれ結合してなり、前記マクロアーム
よりも作業領域が小さく、一端が前記マクロアームに接
続される一方、他端が作業を行なうマイクロアームとを
有するマニピュレータにおいて、前記マクロアームの各
関節の屈曲角度が目標関節角度に一致するように、前記
マクロアームの各関節の屈曲角度を制御する第１の過程
と、前記柔構造を有する複数の腕部材の各歪みと、前記
各関節の屈曲角度と、前記マイクロアームの他端での作
業力とをそれぞれ検出する第２の過程と、前記第２の過
程により検出された、各関節の屈曲角度と前記マクロア
ームの複数の腕部材の各歪みとから前記マイクロアーム
の他端での作業位置を演算する第３の過程と、該作業位
置と前記第２の過程により検出された作業力とがともに
目標値に一致するように前記マイクロアームの各関節の
屈曲角度を制御する第４の過程とを具備することを特徴
としている。
請求項３に記載の発明は、柔構造を有する複数の腕部材
を、屈曲自在であってその屈曲角度を出力する関節にて
それぞれ結合してなるマクロアームと、剛構造を有する
複数の腕部材を、屈曲自在であってその屈曲角度を出力
する関節にてそれぞれ結合してなり、前記マクロアーム
よりも作業領域が小さく、一端が前記マクロアームに接
続される一方、他端が作業を行なうマイクロアームとを
有するマニピュレータにおいて、前記マクロアームの各
関節の屈曲角度が目標関節角度に一致するように、前記
マクロアームの各関節の屈曲角度を制御する第１の過程
と、前記柔構造を有する複数の腕部材の各歪みと、前記
各関節の屈曲角度と、前記マイクロアームの他端での作
業力とをそれぞれ検出する第２の過程と、前記第２の過
程により検出された、各関節の屈曲角度と前記マクロア
ームの複数の腕部材の各歪みとから前記マイクロアーム
の他端での作業位置を演算する第３の過程と、該作業位
置と前記第２の過程により検出された作業力とがともに
目標値に一致するように前記マイクロアームの各関節の
屈曲角度を制御する第４の過程とを具備することを特徴
としている。
【０００７】また、請求項４に記載の発明は、上記方法
において、前記マイクロアームの他端での作業位置が目
標位置にある場合であって作業対象物に力を加えていな
い場合における各関節の屈曲角度を求める過程と、該屈
曲角度を保持した状態で、目標とする作業力が加わった
際の、前記柔構造を有する複数の腕部材の歪みを求める
過程と、該歪みを保持した状態であって、前記作業位置
を目標値位置に仮想的に戻した各関節の屈曲角度を目標
関節角度として求める過程とを具備することを特徴とし
ている。
において、前記マイクロアームの他端での作業位置が目
標位置にある場合であって作業対象物に力を加えていな
い場合における各関節の屈曲角度を求める過程と、該屈
曲角度を保持した状態で、目標とする作業力が加わった
際の、前記柔構造を有する複数の腕部材の歪みを求める
過程と、該歪みを保持した状態であって、前記作業位置
を目標値位置に仮想的に戻した各関節の屈曲角度を目標
関節角度として求める過程とを具備することを特徴とし
ている。
【０００８】
【作用】この発明によるマニピュレータおよびその制御
方法によれば、大まかな運動がマクロアームで行なわれ
る一方、細かい運動が、マクロアームにおける各腕部材
の歪みによる変位を補償しつつ、マイクロアームで行な
われる。マクロアームは柔構造を有するので、長尺化し
つつも軽量化が可能であり、マイクロアームは剛構造を
有するが、マクロアームよりも小型であるので、結果的
にマニピュレータを軽量化することが容易となる。
方法によれば、大まかな運動がマクロアームで行なわれ
る一方、細かい運動が、マクロアームにおける各腕部材
の歪みによる変位を補償しつつ、マイクロアームで行な
われる。マクロアームは柔構造を有するので、長尺化し
つつも軽量化が可能であり、マイクロアームは剛構造を
有するが、マクロアームよりも小型であるので、結果的
にマニピュレータを軽量化することが容易となる。
【０００９】
【実施例】以下、この発明の一実施例について図面を参
照して説明する。まず、この実施例によるマニピュレー
タの構成について図１を参照して説明する。 Ａ：実施例の構成 この図に示すように、この実施例のマニピュレータは、
マクロアーム１０とマイクロアーム２０とに大別され
る。
照して説明する。まず、この実施例によるマニピュレー
タの構成について図１を参照して説明する。 Ａ：実施例の構成 この図に示すように、この実施例のマニピュレータは、
マクロアーム１０とマイクロアーム２０とに大別され
る。
【００１０】Ａ−１：マクロアームの構成 まず、マクロアーム１０の構成について説明する。この
図に示すように、マクロアーム１０は、屈曲自在の関節
１２−１，１２−２と、これら関節の間に接続された、
柔構造を有するフレキシブル・リンク１３−１，１３−
２とから構成される。関節１２−１，１２−２の各々
は、モータおよびエンコーダ（ともに図示省略）をそれ
ぞれ内蔵しており、パソコン３０からモータアンプ３３
を介して供給される指令に基づいて、相隣接するフレキ
シブル・リンクに対して屈曲自在に制御されるととも
に、エンコーダによってその関節角度を出力するもので
ある。関節１２−１の他端は、剛構造のリンク１１を介
して地上Ｇに固定されている。また、フレキシブル・リ
ンク１３−１の先端は、マイクロアーム２０へと結合さ
れている。
図に示すように、マクロアーム１０は、屈曲自在の関節
１２−１，１２−２と、これら関節の間に接続された、
柔構造を有するフレキシブル・リンク１３−１，１３−
２とから構成される。関節１２−１，１２−２の各々
は、モータおよびエンコーダ（ともに図示省略）をそれ
ぞれ内蔵しており、パソコン３０からモータアンプ３３
を介して供給される指令に基づいて、相隣接するフレキ
シブル・リンクに対して屈曲自在に制御されるととも
に、エンコーダによってその関節角度を出力するもので
ある。関節１２−１の他端は、剛構造のリンク１１を介
して地上Ｇに固定されている。また、フレキシブル・リ
ンク１３−１の先端は、マイクロアーム２０へと結合さ
れている。
【００１１】また、フレキシブル・リンク１３−１に
は、その中心に対して関節１２−１よりに、歪みゲージ
１４−１が装着される。フレキシブル・リンク１３−２
には、歪みゲージ１４−２，１４−３が装着される。こ
れら歪みゲージ１４−１〜１４−３は、フレキシブル・
リンクの歪みそれぞれ検出するものであり、これらによ
って検出された歪情報はそれぞれセンサ・インターフェ
イス３２を介してパソコン３０に供給されて、このパソ
コン３０によって弾性変位ｅが求められるようになって
いる。この弾性変位ｅは、歪みゲージ１４−１〜１４−
３の各装着位置（座標）と、フレキシブル・リンク１４
−１，１４−２の各バネ定数とより求めることができ
る。
は、その中心に対して関節１２−１よりに、歪みゲージ
１４−１が装着される。フレキシブル・リンク１３−２
には、歪みゲージ１４−２，１４−３が装着される。こ
れら歪みゲージ１４−１〜１４−３は、フレキシブル・
リンクの歪みそれぞれ検出するものであり、これらによ
って検出された歪情報はそれぞれセンサ・インターフェ
イス３２を介してパソコン３０に供給されて、このパソ
コン３０によって弾性変位ｅが求められるようになって
いる。この弾性変位ｅは、歪みゲージ１４−１〜１４−
３の各装着位置（座標）と、フレキシブル・リンク１４
−１，１４−２の各バネ定数とより求めることができ
る。
【００１２】なお、フレキシブル・リンク１３−２にの
み歪ゲージを２個装着する理由は、フレキシブル・リン
クのみによって構成されるアームにおいて、最先端のフ
レキシブル・リンクの他端には、力のみかかりモーメン
トはかからないのに対し、この実施例のように、フレキ
シブル・リンクと剛体リンクとからなるアームでは、最
も剛体リンクよりのフレキシブル・リンクの他端には、
マイクロアーム２０の存在によって力のみならずモーメ
ントも発生するためである。つまり、このモーメントを
歪ゲージ１４−３が検出するのである。
み歪ゲージを２個装着する理由は、フレキシブル・リン
クのみによって構成されるアームにおいて、最先端のフ
レキシブル・リンクの他端には、力のみかかりモーメン
トはかからないのに対し、この実施例のように、フレキ
シブル・リンクと剛体リンクとからなるアームでは、最
も剛体リンクよりのフレキシブル・リンクの他端には、
マイクロアーム２０の存在によって力のみならずモーメ
ントも発生するためである。つまり、このモーメントを
歪ゲージ１４−３が検出するのである。
【００１３】Ａ−２：マイクロアーム２０の構成 次に、マイクロアーム２０の構成について説明する。図
１に示すように、マイクロアーム２０は、マクロアーム
１０に先端に結合された屈曲自在の関節２２−１、回転
自在の回転機２２−２、作業チャック２５、及びこれら
の間に結合された剛構造を有する剛体リンク２３−１，
２３−２から構成される。関節２２−１および回転機２
２−２の各々は、関節１２−１，１２−２と同様に、モ
ータおよびエンコーダをそれぞれ内蔵しており、パソコ
ン３０からモータアンプ３３を介して供給される指令に
基づいて、相隣接するリンクに対し屈曲あるいは回転自
在に制御されるとともに、エンコーダによってその関節
あるいは回転角度を出力するものである。剛体リンク２
３−２の先端には、作業チャック２５が取り付けられて
いる。この作業チャック２５には、力センサ２６が取り
付けられており、対象物に加わる力を検出し、この力情
報をセンサ・インターフェイス３２を介してパソコン３
０に供給するようになっている。そして、作業チャック
２５が対象物を挟時し、各関節、回転機を駆動すること
により、対象物に対して作業を行なうようになってい
る。
１に示すように、マイクロアーム２０は、マクロアーム
１０に先端に結合された屈曲自在の関節２２−１、回転
自在の回転機２２−２、作業チャック２５、及びこれら
の間に結合された剛構造を有する剛体リンク２３−１，
２３−２から構成される。関節２２−１および回転機２
２−２の各々は、関節１２−１，１２−２と同様に、モ
ータおよびエンコーダをそれぞれ内蔵しており、パソコ
ン３０からモータアンプ３３を介して供給される指令に
基づいて、相隣接するリンクに対し屈曲あるいは回転自
在に制御されるとともに、エンコーダによってその関節
あるいは回転角度を出力するものである。剛体リンク２
３−２の先端には、作業チャック２５が取り付けられて
いる。この作業チャック２５には、力センサ２６が取り
付けられており、対象物に加わる力を検出し、この力情
報をセンサ・インターフェイス３２を介してパソコン３
０に供給するようになっている。そして、作業チャック
２５が対象物を挟時し、各関節、回転機を駆動すること
により、対象物に対して作業を行なうようになってい
る。
【００１４】パソコン３０は、マニピュレータを動作さ
せる際に、目標値（軌道）を記憶するとともに、角度情
報、力情報および歪み情報よりマニピュレータの制御状
態を演算して、目標値との制御誤差（偏差）を求め、マ
ニピュレータの各部の操作量を決定する。
せる際に、目標値（軌道）を記憶するとともに、角度情
報、力情報および歪み情報よりマニピュレータの制御状
態を演算して、目標値との制御誤差（偏差）を求め、マ
ニピュレータの各部の操作量を決定する。
【００１５】Ａ−３：実施例の運動 次に、マクロアーム１０とマイクロアーム２０との制御
アルゴリズムについて説明する。
アルゴリズムについて説明する。
【００１６】Ａ−３−１：マクロアーム１０の制御系 マクロアーム１０は、関節１２−１，１２−２の目標関
節角θMdについてそれぞれＰＤ（比例・微分）制御する
構成となっている。この目標関節角θMdは、作業チャッ
ク２５に力を加えることを考慮して手先の目標軌道を実
現するものであり、詳細については後述する。このＰＤ
制御によって、まず大まかな位置／力の制御が行なわれ
る。ここで、関節１２−１，１２−２への関節操作量を
示す関節指令トルクτM は、次式によって求められる。
節角θMdについてそれぞれＰＤ（比例・微分）制御する
構成となっている。この目標関節角θMdは、作業チャッ
ク２５に力を加えることを考慮して手先の目標軌道を実
現するものであり、詳細については後述する。このＰＤ
制御によって、まず大まかな位置／力の制御が行なわれ
る。ここで、関節１２−１，１２−２への関節操作量を
示す関節指令トルクτM は、次式によって求められる。
【数１】 ここで、θM は、エンコーダから出力される、関節１２
−１，１２−２での実際の関節角（詳細にはベクト
ル）、すなわちマクロアーム１０での関節角を示し、ま
た、ＫpM，ＫvMは、それぞれマクロアーム１０における
位置フィードバックゲイン、速度フィードバックゲイン
を示す。
−１，１２−２での実際の関節角（詳細にはベクト
ル）、すなわちマクロアーム１０での関節角を示し、ま
た、ＫpM，ＫvMは、それぞれマクロアーム１０における
位置フィードバックゲイン、速度フィードバックゲイン
を示す。
【００１７】Ａ−３−２：マイクロアーム２０の制御系 マクロアーム１０では、大まかな位置／力の制御が行な
われるので、このマイクロアーム２０は、細密な位置／
力の制御を行なわようにしている。ここで本願発明者
は、この制御については、従来の剛体リンクからのみに
よって構成されるマニピュレータと同様な（位置／力）
ハイブリッド制御系によって実現できると想定した。す
なわち、関節２２−１および回転機２２−２への関節
（回転）操作量を示す関節指令トルクτm については、
次のように求められる。
われるので、このマイクロアーム２０は、細密な位置／
力の制御を行なわようにしている。ここで本願発明者
は、この制御については、従来の剛体リンクからのみに
よって構成されるマニピュレータと同様な（位置／力）
ハイブリッド制御系によって実現できると想定した。す
なわち、関節２２−１および回転機２２−２への関節
（回転）操作量を示す関節指令トルクτm については、
次のように求められる。
【００１８】 作業チャック２５の実際の手先位置ｐ
は、マクロアーム１０での関節角θM、関節２２−１お
よび回転機２２−２での実際の関節角θm （すなわちマ
イクロアーム２０での関節角）、および弾性変位ｅか
ら、座標を算出するための順運動学の非線形関数ｒを用
いて、次式のように表わされる。
は、マクロアーム１０での関節角θM、関節２２−１お
よび回転機２２−２での実際の関節角θm （すなわちマ
イクロアーム２０での関節角）、および弾性変位ｅか
ら、座標を算出するための順運動学の非線形関数ｒを用
いて、次式のように表わされる。
【数２】
【００１９】 次に、作業チャック２５での実際の発
生力ｆを力センサ２６によって検出して、目標値との誤
差を、位置制御方向および力制御方向に分離してそれぞ
れ求める。すなわち、手先位置の誤差ｐeは、手先目標
位置ｐdから次式のように、求められる。
生力ｆを力センサ２６によって検出して、目標値との誤
差を、位置制御方向および力制御方向に分離してそれぞ
れ求める。すなわち、手先位置の誤差ｐeは、手先目標
位置ｐdから次式のように、求められる。
【数３】 この式において、Ｅp は位置制御方向選択行列である。
【００２０】また、発生力の誤差ｆeは、発生力の目標
値ｆdから次式のように求められる。
値ｆdから次式のように求められる。
【数４】 この式において、ＥF は力制御方向選択行列である。
【００２１】 位置制御方向については、マクロアー
ム１０と同様なＰＤ制御が行なわれる。ここで、手先位
置の誤差ｐe は、微小量と考えられ、非線形関数ｒの関
節角θmに関するヤコビ行列Ｊmを用いて関節角の誤差θ
eに変換できる。したがって、マイクロアーム２０での
位置操作量を示す位置補償トルクτmpは、次式のように
なる。
ム１０と同様なＰＤ制御が行なわれる。ここで、手先位
置の誤差ｐe は、微小量と考えられ、非線形関数ｒの関
節角θmに関するヤコビ行列Ｊmを用いて関節角の誤差θ
eに変換できる。したがって、マイクロアーム２０での
位置操作量を示す位置補償トルクτmpは、次式のように
なる。
【数５】 この式において、ＫPPm，Ｋpvmは、それぞれマイクロア
ーム２０の位置制御方向における位置フィードバックゲ
イン、速度フィードバックゲインである。
ーム２０の位置制御方向における位置フィードバックゲ
イン、速度フィードバックゲインである。
【００２２】 一方、力制御方向については、Ｉ（積
分）制御が行なわれる。ここで、発生力の誤差ｆe は、
ヤコビ行列Ｊeを用いて関節トルク誤差に変換できる。
したがって、マイクロアーム２０での力操作量を示す力
補償トルクτmfは、次式のようになる。
分）制御が行なわれる。ここで、発生力の誤差ｆe は、
ヤコビ行列Ｊeを用いて関節トルク誤差に変換できる。
したがって、マイクロアーム２０での力操作量を示す力
補償トルクτmfは、次式のようになる。
【数６】 この式において、ＫPfm は、マイクロアーム２０の力制
御方向における力フィードバックゲインである。
御方向における力フィードバックゲインである。
【００２３】 式（５）および式（６）によってそれ
ぞれ求めた位置補償トルクτmp，力補償トルクτmfを加
算することにより、位置と力との制御が可能な関節操作
量が求められる。すなわち、マイクロアーム２０におい
て、この関節操作量を示す関節トルクτmは、次式によ
って求められる。
ぞれ求めた位置補償トルクτmp，力補償トルクτmfを加
算することにより、位置と力との制御が可能な関節操作
量が求められる。すなわち、マイクロアーム２０におい
て、この関節操作量を示す関節トルクτmは、次式によ
って求められる。
【数７】
【００２４】Ａ−４：目標軌道の算出 次に、前述した目標関節角θMdの算出について図３を参
照して説明する。なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、図１
に示した構成を説明のため簡略化してあり、同一部分に
は、同一符号が付してある。マイクロアーム２０の作業
チャック２５において力が発生すると、その反力によっ
てマクロアーム１０のフレキシブル・リンク１３−１，
１３−２には、弾性変位ｅが生じることになる。このた
め、関節目標角θMdを解析的に求めるのは、弾性変位ｅ
と関節角θM，θmとは非線形な関係にあるため、困難で
ある。そこでこの実施例では、目標関節角θMdを次のよ
うな近似的方法に求めることにした。
照して説明する。なお、図３（ａ）〜（ｃ）では、図１
に示した構成を説明のため簡略化してあり、同一部分に
は、同一符号が付してある。マイクロアーム２０の作業
チャック２５において力が発生すると、その反力によっ
てマクロアーム１０のフレキシブル・リンク１３−１，
１３−２には、弾性変位ｅが生じることになる。このた
め、関節目標角θMdを解析的に求めるのは、弾性変位ｅ
と関節角θM，θmとは非線形な関係にあるため、困難で
ある。そこでこの実施例では、目標関節角θMdを次のよ
うな近似的方法に求めることにした。
【００２５】 まず、図３（ａ）に示すように、フレ
キシブル・リンク１３−１，１３−２において弾性変位
が生じないものとして（すなわち、ｅ＝０として）手先
位置の目標値ｐdを実現する関節角θM0，θm0を求め
る。すなわち、式（２）により、
キシブル・リンク１３−１，１３−２において弾性変位
が生じないものとして（すなわち、ｅ＝０として）手先
位置の目標値ｐdを実現する関節角θM0，θm0を求め
る。すなわち、式（２）により、
【数８】 であるから、この式の逆関数により、関節角θM0，θm0
を求める。この際に、両者の冗長性は適当に定められる
ものとする。
を求める。この際に、両者の冗長性は適当に定められる
ものとする。
【００２６】 次に、図３（ｂ）に示すように、関節
角θM0，θm0を保持した状態で、発生力の目標値ｆdが
加わった場合の、フレキシブル・リンク１３−１，１３
−２の弾性変位ｅ1を求める。
角θM0，θm0を保持した状態で、発生力の目標値ｆdが
加わった場合の、フレキシブル・リンク１３−１，１３
−２の弾性変位ｅ1を求める。
【００２７】ここで、作業チャック２５における発生力
ｆが、関節角θM，θmおよび弾性変位ｅより、関数Ｋを
用いて、次式により表わされるものとする。
ｆが、関節角θM，θmおよび弾性変位ｅより、関数Ｋを
用いて、次式により表わされるものとする。
【数９】 発生力の目標値ｆdが、の関節角θM0，θm0、および
弾性変位ｅ1において生じるならば、式（９）より、
弾性変位ｅ1において生じるならば、式（９）より、
【数１０】 であるので、この式の逆関数により、弾性変位ｅ1が求
められる。
められる。
【００２８】 そして、図３（ｃ）に示すように、こ
の弾性変位ｅ1を保持した状態で、手先目標位置ｐdに仮
想的に戻したときの関節角を目標関節角θMdとして求め
る。この際に戻すべき関節角をΔθMとすると、
の弾性変位ｅ1を保持した状態で、手先目標位置ｐdに仮
想的に戻したときの関節角を目標関節角θMdとして求め
る。この際に戻すべき関節角をΔθMとすると、
【数１１】 である。
【００２９】この関節角ΔθMについては、ｒのθMに、
ｒのｅにそれぞれ関するヤコビ行列ＪM，Ｊeを用いる
と、次式が成立する。
ｒのｅにそれぞれ関するヤコビ行列ＪM，Ｊeを用いる
と、次式が成立する。
【数１２】
【００３０】この式（１２）をΔθMについて解き、式
（１３）に代入することにより、求めるべき目標関節角
θMdが算出される。
（１３）に代入することにより、求めるべき目標関節角
θMdが算出される。
【００３１】Ａ−５−１：制御系の具体的構成 次に、この実施例における制御系の具体的構成について
説明する。図２は、この実施例の制御系の構成を示すブ
ロック図である。この図において、弾性変位ｅは歪みゲ
ージ１４−１〜１４−３による歪み情報から、関節角θ
Mは、関節１２−１，１２−２による角度情報から、ま
た、関節角θmは、関節２２−１，回転機２２−２によ
る角度情報から、それぞれ求められる。
説明する。図２は、この実施例の制御系の構成を示すブ
ロック図である。この図において、弾性変位ｅは歪みゲ
ージ１４−１〜１４−３による歪み情報から、関節角θ
Mは、関節１２−１，１２−２による角度情報から、ま
た、関節角θmは、関節２２−１，回転機２２−２によ
る角度情報から、それぞれ求められる。
【００３２】この図に示すように、マクロアーム１０で
の実際の関節角θMは、加算器３２の減算入力端に入力
されて、前述した目標関節角θMdと加算される。これに
より、目標関節角θMdと実際の関節角θMとの誤差が、
加算器３２によって算出される。３３はマクロアーム制
御部であり、加算器３２によって算出された誤差から前
述の式（１）に基づいて、関節１２−１，１２−２への
関節指令トルクτMを与える。このように、マクロアー
ム１０では、その関節角が目標とする目標関節角θMdに
一致するようなフィードバック制御が、関節１２−１，
１２−２について行なわれる。
の実際の関節角θMは、加算器３２の減算入力端に入力
されて、前述した目標関節角θMdと加算される。これに
より、目標関節角θMdと実際の関節角θMとの誤差が、
加算器３２によって算出される。３３はマクロアーム制
御部であり、加算器３２によって算出された誤差から前
述の式（１）に基づいて、関節１２−１，１２−２への
関節指令トルクτMを与える。このように、マクロアー
ム１０では、その関節角が目標とする目標関節角θMdに
一致するようなフィードバック制御が、関節１２−１，
１２−２について行なわれる。
【００３３】次に、３１はマクロ／マイクロアーム先端
位置計算部であり、式（２）に基づいて、弾性変位ｅ、
マクロアーム１０における関節角θM 、およびマイクロ
アーム２０における関節角を示す関節角θm から、作業
チャック２５の手先位置ｐを求める。該手先位置ｐは、
加算器３４の減算入力端に供給され、手先目標位置ｐd
と加算される。３５は位置制御方向選択部であり、加算
器３４の加算（減算）結果から、式（３）に基づいて手
先位置の誤差ｐe を計算する。３６は位置制御部であ
り、手先位置の誤差ｐeを補償するための操作量を示す
位置補償トルクτmp を式（５）に基づいて算出し、加
算器３７の一方の入力端に供給する。
位置計算部であり、式（２）に基づいて、弾性変位ｅ、
マクロアーム１０における関節角θM 、およびマイクロ
アーム２０における関節角を示す関節角θm から、作業
チャック２５の手先位置ｐを求める。該手先位置ｐは、
加算器３４の減算入力端に供給され、手先目標位置ｐd
と加算される。３５は位置制御方向選択部であり、加算
器３４の加算（減算）結果から、式（３）に基づいて手
先位置の誤差ｐe を計算する。３６は位置制御部であ
り、手先位置の誤差ｐeを補償するための操作量を示す
位置補償トルクτmp を式（５）に基づいて算出し、加
算器３７の一方の入力端に供給する。
【００３４】一方、作業チャック２５での発生力ｆは、
力センサ２６によって検出され、加算器３８の減算入力
端に供給されて、発生力の目標値ｆd と加算される。３
９は力制御方向選択部であり、加算器３８の加算（減
算）結果から、式（４）に基づいて発生力の誤差ｆeを
計算する。４０は力制御部であり、発生力の誤差ｆeを
補償するための操作量を示す力補償トルクτmfを式
（６）に基づいて算出し、加算器３７の他方の入力端に
供給する。
力センサ２６によって検出され、加算器３８の減算入力
端に供給されて、発生力の目標値ｆd と加算される。３
９は力制御方向選択部であり、加算器３８の加算（減
算）結果から、式（４）に基づいて発生力の誤差ｆeを
計算する。４０は力制御部であり、発生力の誤差ｆeを
補償するための操作量を示す力補償トルクτmfを式
（６）に基づいて算出し、加算器３７の他方の入力端に
供給する。
【００３５】そして、加算器３７では、位置制御部３６
による位置補償トルクτmpと制御部４０による力補償ト
ルクτmfとが加算され、すなわち式（７）の演算が行な
われ、該加算結果を、関節２２−１，回転機２２−２へ
の最終的な操作量を示す関節トルクτmとして与える。
このように、マイクロアーム２０では、マクロアーム１
０で与えられた関節制御に対して、作業チャック２５の
手先位置と発生力とが、それぞれ目標値に一致するよう
にフィードバック制御が行なわれる。なお、実際には、
符号３１〜４０での演算はパソコン３０（図１参照）に
よって行なわれ、各関節の駆動はモータアンプ３３の増
幅を介した関節内蔵のモータによって行なわれる。
による位置補償トルクτmpと制御部４０による力補償ト
ルクτmfとが加算され、すなわち式（７）の演算が行な
われ、該加算結果を、関節２２−１，回転機２２−２へ
の最終的な操作量を示す関節トルクτmとして与える。
このように、マイクロアーム２０では、マクロアーム１
０で与えられた関節制御に対して、作業チャック２５の
手先位置と発生力とが、それぞれ目標値に一致するよう
にフィードバック制御が行なわれる。なお、実際には、
符号３１〜４０での演算はパソコン３０（図１参照）に
よって行なわれ、各関節の駆動はモータアンプ３３の増
幅を介した関節内蔵のモータによって行なわれる。
【００３６】Ｂ：動作説明 次に、このように構成された実施例の動作について説明
する。はじめに、操作者はパソコン３０を操作して、マ
ニピュレータを作動させる旨の設定を行なう。これによ
って、マニピュレータ各部の初期化がなされ、この後
に、動作指標となる目標値の設定がなされる。さらに、
この目標値から前述の目標関節角θMdが算出される。
する。はじめに、操作者はパソコン３０を操作して、マ
ニピュレータを作動させる旨の設定を行なう。これによ
って、マニピュレータ各部の初期化がなされ、この後
に、動作指標となる目標値の設定がなされる。さらに、
この目標値から前述の目標関節角θMdが算出される。
【００３７】マクロアーム１０では、この目標関節角θ
Mdに一致するような位置制御が行なわれる。すなわち、
図２に示した、マクロアーム１０→加算器３２→マクロ
アーム制御部３３→マクロアーム１０からなるフィード
バック位置制御によって、まず、手先位置に加える作業
力を考慮した大まかな位置制御が行なわれる。この際
に、フレキシブル・リンク１３−１，１３−２の柔軟性
のために、手先位置には、目標とする位置に対して誤差
が生じる。
Mdに一致するような位置制御が行なわれる。すなわち、
図２に示した、マクロアーム１０→加算器３２→マクロ
アーム制御部３３→マクロアーム１０からなるフィード
バック位置制御によって、まず、手先位置に加える作業
力を考慮した大まかな位置制御が行なわれる。この際
に、フレキシブル・リンク１３−１，１３−２の柔軟性
のために、手先位置には、目標とする位置に対して誤差
が生じる。
【００３８】この誤差を補償するように、マイクロアー
ム２０では、実際の目標値に一致するような位置制御お
よび力制御が行なわれる。すなわち、位置制御において
は、マイクロアーム２０→（マクロ／マイクロアーム先
端位置計算部３１）→加算器３４→位置制御方向選択部
３５→位置制御部３６→加算器３７→マイクロアーム２
０からなるループによって、また、力制御においては、
マイクロアーム２０→力センサ２６→加算器３８→力制
御方向選択部３９→力制御部４０→加算器３７→マイク
ロアーム２０からなるループによって、それぞれフィー
ドバック制御が行なわれる。
ム２０では、実際の目標値に一致するような位置制御お
よび力制御が行なわれる。すなわち、位置制御において
は、マイクロアーム２０→（マクロ／マイクロアーム先
端位置計算部３１）→加算器３４→位置制御方向選択部
３５→位置制御部３６→加算器３７→マイクロアーム２
０からなるループによって、また、力制御においては、
マイクロアーム２０→力センサ２６→加算器３８→力制
御方向選択部３９→力制御部４０→加算器３７→マイク
ロアーム２０からなるループによって、それぞれフィー
ドバック制御が行なわれる。
【００３９】このような実施例のマニピュレータによれ
ば、マイクロアーム２０においては、マクロアーム１０
の大まかな位置制御による誤差を補償するような位置制
御・力制御が行なわれるので、マニピュレータ全体で
は、高精度な作業が可能となる。また、マイクロアーム
２０は剛体リンクより構成されるが、広い作業領域を有
するマクロアームに対して小型で済むので、マニピュレ
ータ全体の重量増を小さく抑えることが可能となる。
ば、マイクロアーム２０においては、マクロアーム１０
の大まかな位置制御による誤差を補償するような位置制
御・力制御が行なわれるので、マニピュレータ全体で
は、高精度な作業が可能となる。また、マイクロアーム
２０は剛体リンクより構成されるが、広い作業領域を有
するマクロアームに対して小型で済むので、マニピュレ
ータ全体の重量増を小さく抑えることが可能となる。
【００４０】なお、上述した実施例では、フレキシブル
・リンクおよび剛体リンク（これに対応する関節）の数
は「２」であったが、本願発明はこれにとらわれない。
例えば、両者は、異なっても良いし、さらに多くして複
雑な動きをさせることも可能である。
・リンクおよび剛体リンク（これに対応する関節）の数
は「２」であったが、本願発明はこれにとらわれない。
例えば、両者は、異なっても良いし、さらに多くして複
雑な動きをさせることも可能である。
【００４１】
【発明の効果】以上説明したこの発明によるマニピュレ
ータおよびその制御方法によれば、大まかな運動がマク
ロアームで行なわれる一方、細かな運動が、マクロアー
ムにおける各腕部材の歪みによる変位を補償しつつ、マ
イクロアームで行なわれる。マクロアームは柔構造を有
するので、長尺化しつつも軽量化が可能であり、マイク
ロアームは剛構造を有するが、マクロアームよりも充分
に小型であるので、マニピュレータ全体として軽量化に
寄与することができる。したがって、作業領域が広範囲
に及ぶのにもかかわらず、装置の軽量化および作業の高
精度化が容易となる。
ータおよびその制御方法によれば、大まかな運動がマク
ロアームで行なわれる一方、細かな運動が、マクロアー
ムにおける各腕部材の歪みによる変位を補償しつつ、マ
イクロアームで行なわれる。マクロアームは柔構造を有
するので、長尺化しつつも軽量化が可能であり、マイク
ロアームは剛構造を有するが、マクロアームよりも充分
に小型であるので、マニピュレータ全体として軽量化に
寄与することができる。したがって、作業領域が広範囲
に及ぶのにもかかわらず、装置の軽量化および作業の高
精度化が容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施例によるマニピュレータの構
成を示す斜視図である。
成を示す斜視図である。
【図２】同実施例の制御系統を示すブロック図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は同実施例において目標関節角
θMdの算出方法を説明するための概略構成図である。
θMdの算出方法を説明するための概略構成図である。
１０……マクロアーム １２−１，１２−２……関節 １３−１，１３−２……フレキシブル・リンク（柔構造
を有する腕部材） １４−１〜１４−３……歪ゲージ（歪検出手段） ２０……マイクロアーム ２２−１……関節，２２−２……回転機（関節） ２３−１，２３−２……剛体リンク（剛構造を有する腕
部材） ２６……力センサ（力検出手段） ３０……パソコン（演算・制御手段）
を有する腕部材） １４−１〜１４−３……歪ゲージ（歪検出手段） ２０……マイクロアーム ２２−１……関節，２２−２……回転機（関節） ２３−１，２３−２……剛体リンク（剛構造を有する腕
部材） ２６……力センサ（力検出手段） ３０……パソコン（演算・制御手段）
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 甲斐 勝己 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 村上 弘記 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 山崎 秀作 東京都江東区豊洲三丁目１番15号 石川島 播磨重工業株式会社東二テクニカルセンタ ー内 (72)発明者 吉川 恒夫 奈良県奈良市朱雀一丁目10番地の１ (72)発明者 細田 耕 大阪府箕面市粟生間谷西一丁目１番１号
Claims (4)
- 【請求項１】 柔構造を有する複数の腕部材を、屈曲自
在であってその屈曲角度を出力する関節にてそれぞれ結
合してなるマクロアームと、 剛構造を有する複数の腕部材を屈曲自在であってその屈
曲角度を出力する関節にてそれぞれ結合してなり、前記
マクロアームよりも作業領域が小さく、一端が前記マク
ロアームに接続される一方、他端が作業を行なうマイク
ロアームと、 前記柔構造を有する複数の腕部材の歪みをそれぞれ検出
する歪検出手段と、 前記マイクロアームの他端での作業力を検出する力検出
手段と、 前記マクロアームの各関節の屈曲角度が目標関節角度に
一致するように、前記マクロアームの各関節を制御する
とともに、前記各関節の屈曲角度と前記歪検出手段によ
り検出された前記複数の腕部材の各歪みとから前記マイ
クロアームでの他端での作業位置を演算し、該作業位置
と前記力検出手段により検出された作業力とがそれぞれ
目標値に一致するように前記マイクロアームの各関節を
制御する演算・制御手段とを具備することを特徴とする
マニピュレータ。 - 【請求項２】 前記目標関節角度は、 前記マイクロアームの他端での作業位置が目標位置にあ
る場合であって作業対象物に力を加えていない場合にお
ける各関節の屈曲角度を保持した状態で、目標とする作
業力が加わった際の、前記柔構造を有する複数の腕部材
の歪みを与える各関節の屈曲角度であることを特徴とす
る請求項１記載のマニピュレータ。 - 【請求項３】 柔構造を有する複数の腕部材を、屈曲自
在であってその屈曲角度を出力する関節にてそれぞれ結
合してなるマクロアームと、 剛構造を有する複数の腕部材を、屈曲自在であってその
屈曲角度を出力する関節にてそれぞれ結合してなり、前
記マクロアームよりも作業領域が小さく、一端が前記マ
クロアームに接続される一方、他端が作業を行なうマイ
クロアームとを有するマニピュレータにおいて、 前記マクロアームの各関節の屈曲角度が目標関節角度に
一致するように、前記マクロアームの各関節の屈曲角度
を制御する第１の過程と、 前記柔構造を有する複数の腕部材の各歪みと、前記各関
節の屈曲角度と、前記マイクロアームの他端での作業力
とをそれぞれ検出する第２の過程と、 前記第２の過程により検出された、各関節の屈曲角度と
前記マクロアームの複数の腕部材の各歪みとから前記マ
イクロアームの他端での作業位置を演算する第３の過程
と、 該作業位置と前記第２の過程により検出された作業力と
がともに目標値に一致するように前記マイクロアームの
各関節の屈曲角度を制御する第４の過程とを具備するこ
とを特徴とするマニピュレータの制御方法。 - 【請求項４】 前記マイクロアームの他端での作業位置
が目標位置にある場合であって作業対象物に力を加えて
いない場合における各関節の屈曲角度を求める過程と、 該屈曲角度を保持した状態で、目標とする作業力が加わ
った際の、前記柔構造を有する複数の腕部材の歪みを求
める過程と、 該歪みを保持した状態であって、前記作業位置を目標値
位置に仮想的に戻した各関節の屈曲角度を目標関節角度
として求める過程とを具備することを特徴とする請求項
３記載のマニピュレータの制御方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23693193A JP3302797B2 (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | マニピュレータおよびその制御方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP23693193A JP3302797B2 (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | マニピュレータおよびその制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0788786A true JPH0788786A (ja) | 1995-04-04 |
| JP3302797B2 JP3302797B2 (ja) | 2002-07-15 |
Family
ID=17007879
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23693193A Expired - Fee Related JP3302797B2 (ja) | 1993-09-22 | 1993-09-22 | マニピュレータおよびその制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3302797B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109715349A (zh) * | 2016-07-15 | 2019-05-03 | 快砖知识产权私人有限公司 | 安装在柔性臂上的机器人臂的动态补偿 |
Families Citing this family (1)
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|---|---|---|---|---|
| JP5228784B2 (ja) * | 2008-10-15 | 2013-07-03 | 株式会社Ｉｈｉ | マニピュレータシステム |
-
1993
- 1993-09-22 JP JP23693193A patent/JP3302797B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109715349A (zh) * | 2016-07-15 | 2019-05-03 | 快砖知识产权私人有限公司 | 安装在柔性臂上的机器人臂的动态补偿 |
| CN109715349B (zh) * | 2016-07-15 | 2024-05-03 | 快砖知识产权私人有限公司 | 安装在柔性臂上的机器人臂的动态补偿 |
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|---|---|
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