JPS5840761B2 - 人間腕形マニピュレ−タの制御装置 - Google Patents

人間腕形マニピュレ−タの制御装置

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JPS5840761B2
JPS5840761B2 JP53159432A JP15943278A JPS5840761B2 JP S5840761 B2 JPS5840761 B2 JP S5840761B2 JP 53159432 A JP53159432 A JP 53159432A JP 15943278 A JP15943278 A JP 15943278A JP S5840761 B2 JPS5840761 B2 JP S5840761B2
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JP
Japan
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manipulator
human arm
control device
joint
polynomial
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JPS5583587A (en
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健生 新井
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • G05—CONTROLLING; REGULATING
    • G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
    • G05B19/00—Programme-control systems
    • G05B19/02—Programme-control systems electric
    • G05B19/18—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form
    • G05B19/41—Numerical control [NC], i.e. automatically operating machines, in particular machine tools, e.g. in a manufacturing environment, so as to execute positioning, movement or co-ordinated operations by means of programme data in numerical form characterised by interpolation, e.g. the computation of intermediate points between programmed end points to define the path to be followed and the rate of travel along that path
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25—HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25J—MANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00—Programme-controlled manipulators
    • B25J9/02—Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type
    • B25J9/04—Programme-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type by rotating at least one arm, excluding the head movement itself, e.g. cylindrical coordinate type or polar coordinate type

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、人間腕形マニピュレータを制御するための簡
易制御装置に関するものである。
人間腕形マニピュレータの制御は、動作指令装置より出
力された手首位置や肘位置に関する情報等に基づいて角
度値演算処理装置により各関節における回転機構の角度
値を演算処理し、これを関節角駆動装置に入力情報とし
て与えることにより行われる。
この場合、上記回転機構の角度値は計算によって正確に
求めることも可能であるが、この計算は三角関数を含む
極めて複雑なものであるため、演算処理に莫大な時間を
必要とし、人間腕形マニピュレータの制御に必要な実時
間処理を行うことができない。
このような問題を解決するための手段としては、特開昭
５１−９８８６７号公報において、マニピュレータの手
先の可動範囲を粗い格子状に分割し、それによって得ら
れる格子点に手首があるときの各関節角度を予め計算し
て記憶装置に記憶させ、格子状の分割域の中間点につい
ては補間により関節角度を求める方式が開示されている
。
しかし、この制御方式は記憶装置の容量等の面で小シス
テムの場合には適さない。
本発明の制御装置は、各関節における角度値と手首位置
及び肘姿勢の変数との関係を演算処理が簡単な多項近似
式で表わし、この近似式を用いて角度演算を行うことに
より、演算時間を著しく短縮すると共に記憶容量も少な
くてすむようにした点に特徴を有するものである。
以下、図面を参照して本発明の制御装置について詳述す
る。
一般に人間腕形マニピュレータは手先まで含めて七つの
関節により７自由度に構成されるが、ここでは手首の位
置を制御することを目的としているので、第１図に示す
ような肩部１の２関節θ１゜θ２、上腕部２のひねりθ
３、及び肩部３の関節θ４の４自由度について制御する
。
この制御においては、ｘｙｚ座標系における手首位置Ｘ
（ｘ、ｙ、ｚ）と肘旋回度δを与えることにより各関節
角度値０１〜θ４は一意に決定される。
ここで、肘旋回角δは、肘位置が２軸方向に関して最低
位置にある場合をＯｏとし、肩と手首を結ぶ直線の周り
に測ったときの角度である。
このように、各関節角度値θ１〜θ４が手首位置と肘旋
回角に対して一意に決まることから、次のような関数が
存する。
これは、５次元空間上における超曲面を表わしており、
この関数ｆｉは次のＮ次多項式により近似できる。
ここで、係数Ｃ１ｊは次のようにして決定される。
まず、作業空間内にいくつかの代表点を選び、これを手
首位置座標とする。
更に、各代表点に対していくつかのδをＯ〜６０°の範
囲で選定する。
そして、このようにして定められた手首位置と肘旋回角
に対する関節角度値θ、〜θ４を正確に求めてこれらを
サンプルデータとし、このサンプルデータを用いて最小
２乗法により係数Ｃ１ｊを計算する。
係数の個数はＮによって決まるが、例えばＮを３とする
と各関節についてＣｉｌ〜Ｃ１３５の３５個となる。
第２図は、前述した４自由度についての制御を行う本発
明の制御装置の構成を示すものである。
この制御装置において、動作指令装置は手首位置Ｘ（ｘ
、ｙ、ｚ）及び肘旋回角δについての目標値を与えるた
めのものであり、また記憶装置には上述したところに従
って予め求めた係数Ｃ１ｊを記憶させておく。
演算処理装置は、動作指令装置を通じて指定された上記
目標値と記憶装置からの係数Ｃｉｊの信号とに基づいて
関節角度値θ１〜θ４を演算するもので、加算器と乗算
器からなる簡単なアナログ回路により構成される。
この演算処理装置において、上記（２）式の関数をその
式の通りに電子的回路で実現すると、Ｎが３の場合、加
算器３４個と乗算器８０個とを必要とする。
そこで、電子的回路を構成するに際しては（２）式を次
のように変形し、これによって乗算器の個数を減少させ
る。
演算処理装置を上ｉＱ’ｉ）式に基づいて構成すると、
第３図のようになる。
このような構成法を、ここでは階層構造形と呼ぶことに
する。
この階層構造形の演算処理装置においては、加算器の個
数は３４個で変らないが、乗算器が３４個となって大幅
に構成素子数を減少させることができる。
また、この階層構造形演算処理装置によって関節角度値
の演算を行う場合、その処理時間は概ね次のようになり
著しく短縮される。
処理時間＝（記憶素子アクセスタイム） ＋（乗算器処理時間）×３ ＋（加算器処理時間）×３ このように、階層構造形演算処理装置においては上記（
４）式に基づく演算が行われ、その演算の結果としての
関節角度θ１〜θ４が人間腕形マニピュレータにおける
関節駆動装置に出力され、マニピュレータが目標位置ま
で駆動される。
なお、上記制御装置における位置決め精度は、上腕及び
下腕がそれぞれ４０Ｃｍで、可動範囲の４分の１を作動
範囲とした場合、手首位置のずれが平均０．６３ｃｒｒ
Ｌ、分散０．３６ｃｒｆＬ、最大２．６ｃｒｆＬである
ことが確かめられている。
このような本発明の制御装置によれば、人間腕形マニピ
ュレータにおける各関節角度値を加算器と乗算器の組合
わせにより構成した簡単な回路構成によって高速で演算
処理することができ、しかも記憶容量も少なくてすみ、
従ってその構成が極めて簡単であるという利点を有する
ばかりでなく、複雑な三角関数演算を用いた場合には不
可能であったリアルタイムによるマニピュレータの制御
をも実現できるという特長がある。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明の制御装置が適用される人間腕形マニピ
ュレータについての構成図、第２図は本発明の制御装置
のブロック構成図、第３図は演算処理装置の回路構成図
である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. １ 人間腕形マニピュレータにおける手首位置及び肘旋
    回角についての目標値を与えるための動作指令装置と、
    上記マニピュレータにおける各関節角度値を手首位置及
    び肘旋回角の関数として多項式で近似した場合における
    上記多項式の各係数を予めサンプルデータに基づいて求
    めて記憶させた記憶装置と、動作指令装置を通じて指定
    された上記目標値と記憶装置から与えられる係数の信号
    に基づいて上記多項式による関節角度値の演算を行う階
    層構造形演算処理装置と、を備えたことを特徴とする人
    間腕形マニピュレータの制御装置。
JP53159432A 1978-12-20 1978-12-20 人間腕形マニピュレ−タの制御装置 Expired JPS5840761B2 (ja)

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JPS5583587A JPS5583587A (en) 1980-06-24
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