JPS63228203A - ロボツトア−ムの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は複数の関節を有するロボットアームの制御装置
に係り、特に各関節での運転方程式を効率よく、かつ高
速処理し得るロボットアームの制御装置に関する。

〔従来の技術〕

偽来、ロボットアームの制御装置は、昭和６０年１１月
に開催された第３回日本ロボット学会学術講演会の予稿
集「自律分散型マニプレータ用制御計算機の設計と演算
精度の検討」において論じられているように各関節の計
算をパイプライン方式による並列処理で実行し、バス型
ネットワークによりデータの通信を行っている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記従来技術はロボットアームの自由度の変化に対する
処理時間の変化について配慮がされておらず、パイプラ
イン処理およびバス型ネットワークによるデータ通信の
ために自由度数の変化による処理時間の変化がサーボ系
のサンプリングタイムに影響を及ぼすという問題があっ
た。

本発明の目的は自由度数の変化に拘らず運動方程式を高
速に解き、かつその処理時間を一定としてサーボ系の処
理を安定にすることができるロボットアームの制御装置
を提供することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は各関節部での運動方程式を解くために各関節
部にこれに対応して、演算装置とこれにより求められる
データを記憶するメモリ装置とを有する演算装置を設け
、運動方程式を解くために必要な隣接する関節部のデー
タのみを隣接する演算装置間で通信装置によって転送す
ることにより、達成される。

〔作用〕

干渉する関節を限定したアルゴリズムの運動方程式を解
くためにメモリ装置は各関節部での演算に必要な１つベ
ース側の関節部のデータと１つ手先側の関節部のデータ
を記憶する。通信装置は記憶したデータを隣接するメモ
リ装置に転送する。

各演算装置はメモリ装置に記憶したデータに基づいて演
算を行い、その結果を再びメモリ装置に記憶する。それ
によって、各関節部での演算を並列して行うことができ
、ロボットアームの自由度数の変化に拘らず、高速に、
かつ一定処理時間で運動方程式を解くことができる。

〔実施例〕

以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の装置の一実施例を備えたロボットアー
ムの制御に適用した例を示すもので、この図において、
１はロボットアームで、このロボットアーム１はベース
２に装設されている。このロボットアーム１は第１のア
ームＬＡ、第２のアーム１８．手先部ＩＣ，第１の関節
部ＩＤ、第２の関節部ＩＥ、第３の関節部ＩＦおよび第
１の関節アクチュエータＩＧ、第２の関節アクチュエー
タＬＨ，第３の関節アクチュエータＩＪを備えている。

３は前述したロボットアーム１を制御する制御装置であ
り、この制御装置３は共通メモリ４を有するホストコン
ピュータ５と、ロボットアーム１の第１の関節アクチュ
エータＩＧへの制御信号を演算する第１の演算装置６と
、第２の関節アクチュエータＩＨへの制御信号を演算す
る第２の演算装置７と、第３の関節アクチュエータＩＪ
への制御信号を演算する第３の演算装置８とを備えてい
る。これらの第１〜第３の演算袋Ｒ６〜８はそれぞれロ
ーカルメモリ６Ａ〜８Ａ、演算ユニット６Ｂ〜８Ｂおよ
びメモリ装置６０〜８Ｇ、６Ｄ〜８Ｄを備えている。こ
れらの演算装置６〜８のローカルメモリ６Ａ〜８Ａはネ
ットワーク９によってホストコンピュータ５の共通メモ
リ４に接続されている。さらに第１の演算装置６のメモ
リ装置１６０と第２の演算装置ｉ７のメモリ装置７Ｃと
は通信装置１０により、また第２の演算装置７のメモリ
装置７Ｄと第３の演算袋［８のメモリ装置８Ｃとは通信
装置１１により接続されている。各第１〜第３の演算装
置６〜８によって演算された各関節の演算値は各関節ア
クチュエータＩＧ。

ＬＨ，ＩＪ各サすボ系１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｇに出力さ
れる。

次に前述した、本発明の装置の一実施例の動作を説明す
る。

第１〜第３の演算装置６〜８はそれぞれ対応する第１〜
第３の関節部ＩＤ〜ＩＦでの運動方程式を演算する。そ
の演算アルゴリズムはルウ−・ウオカー・ポール（Ｌｕ
ｈ、　Ｗａｌｋｏｒ、　Ｐａｕｌ　）のアルゴリズムに
基づくもので、漸化式表現で定式化されており、干渉し
合う関節を限定することにより計算量を減少させたもの
である。まず各アームＬＡ。

ＩＢの位置、速度、加速度はロボットアーム１のベース
２から手先部ＩＣへの正順の繰り返し計算で求め、次に
各アームＩＡ、ＩＢの力、モーメント、トルクは手先部
ＩＣからベース２への逆順の繰り返し計算で求める。こ
のアルゴリズムによると、ロボットアーム１の関節トル
クは以下のようにして求められる。

ここで、Ａ″”ｔ−ｘはｉ座標系からｉ−１座標系への
回転に関する変換行列、ｒｉ　はｉ座標系によるｉ−１
座標源点からｉ座ＪＩＩ４原点へのベクトルである。こ
のとき、Ａニーｘ＊　ｒｔは次式で表わされる。

ｒ’ｔ＝　　（ａ＋＋　　ｄｉｓｉｎφｔ、ｄｉｅ＋）
ｓφ、）Ｔ・・・（２）ここに、ａｉはｚｌ−１軸とｚ
ｌ軸との距離。

φ１はＸｉ軸まわりのｚｌ軸の２１．ｊ軸に対する角度
。

ｄＩはｚｔ−ｉ軸に沿ったｘｌ−１軸とＬｔ軸との距離
。

θ１はＺ＋−１軸まわりのＬｔ軸のＸｌ−１軸に対する
角度。

上添字Ｔは転置を意味する。

上述のＡ”ｘ−ｘ、　ｆ”ｌを用いて関節トルクτ１は
以下の手順で求まる。

順方向計算（ｉ＝１．・・・・・・ｏｎ）（ｌ１１＝Ａ
１−　　（ωｔ−ｚ＋ｚｏＬｓ）　　　　　　　　　　
”（３）ｃ＋ｔｔ＝Ａニー’（ωｔ−ｚ＋ｚｏ’ｄｔ＋
ωｔ−ｚＸ’（ｚｏｂ、））−（４）Ｖ＋＝　（＋）ｔ
　Ｘ　ｒｉ＋　（１１ｔ　Ｘ　（（ｉｌ　ｓ　Ｘ　ｒ　
ｔ）＋Ａｔ−Ｖｌ−１”’（５）÷ｔ＝ωｔＸ（ωｔＸ
ｓυ＋（１）　ｌ　Ｘ　Ｂ　ｌ＋÷ｔ　　　　−（６）
逆方向計算（ｉ＝ｎ、・・・・・・、１）ｆｔ＝ｍｔｖ
ｚ＋Ａｔ　　ｆｔ＋ｔ　　　　　　　　−（７）ｎ　ｔ
　＝　１１　（１１１＋　（Ｌ）　ｉ　Ｘ　（１ｔ　（
１１１）　ｍ　ｔ　（ｒ　１＋　ｓ　ｔ　）　Ｘ　ｖ　
ｒ　＋ｒ　１ＸＡｒ　　ｆｔ＋ｔ＋Ａｔ　　ｎｔ＋ｔ　
　　　　　　　　　”’（８）τｎ＝　（Ｃ”ｚｏ）　
”ｎｔ　　　　　　　　　−（９）こＣに、ωｉ＋　Ｗ
ｌｙ　ＶＩｇ　Ｖｔ＋　ｆｚ＋　ｎｌは３×１ベクトル
、ω１はｉ座標系原点の角速度、Ｌｔはｉ座標系原点の
角加速度。

÷１はｉ座標系原点の直線加速度、÷１はアームｉの重
心の直線加速度。

ｆ＋　はアームｉ−１からアームｉへ作用する力。

ｎｌはアームｉ−１からアームｉへ作用するモーメント
。

ｓｌはｉ座標原点からアームｉの重心への位置ベクトル
。

１１はアームｉの重心に対する３Ｘ３慣性行列。

ｍｉ　はアーム主の重量。

２０は単位ベクトルである。

このとき第２の演算装置７の演算ユニット７Ｂでの演算
に必要なデータはその第２の関節部ＩＥの指令値θｘ、
（３ｚおよび°ｄ２と、１つベース２側の第１の関節部
ＩＤのω１．ム１および各１と、１つ手先部ＩＣ側の第
３の関節部ＩＦのｆ２およびｎ２である。これらの指令
値はホストコンピュータ５の共通メモリ４に記憶されて
いる。この指令値はネットワーク９によって第２の演算
装置７内のローカルメモリ７Ａに転送される。また、ベ
ース２側の第１の関節部ＩＤのデータは第１の演算装置
６のメモリ装置６Ｄと専用回線になっている通信装置１
ｏを介して結合した第２の演算装置７のメモリ装置７Ｃ
に記憶してあり、１つ手先部ＩＣ側の第３の関節部ＩＦ
のデータは１つ手先部ＩＣ側の第３の演算装置８のメモ
リ装［８Ｃと専用回線になっている通信装置！１１を介
して結合したメモリ装置７Ｄに記憶されている。通信装
置１ｏおよび１１の通信手段はシリアル転送でもパラレ
ル転送でもよい。第２の演算装置Ｉ！７の演算ユニット
７Ｂはローカルメモリ７Ａおよびメモリ装！７Ｇおよび
７Ｄに記憶されているデータに基づいて前述した式（３
）から式（９）の演算を行い、その結果により得た値ω
１．Ω２および÷２をメモリ装置７Ｄに転送し、記憶さ
せ、値ｆ２およびｎ２をメモリ装置７Ｃに転送し、記憶
させる０次に、演算ユニット７Ｂは演算して得た値τ２
を用いて第２の関節アクチュエータＩＨを制御する。こ
の間にメモリ装置７Ｃに記憶したデータは通信装置１０
によって第１の演算装置６のメモリ装置！６Ｄ／に転送
すると共に、第１の演算装置６での演算によって得た値
ω１１（ｉｌｌおよび÷工を第２の演算装置７のメモリ
装置１７Ｇに転送し、記憶させる。

また、第２の演算装置７のメモリ装置７Ｄに記憶したデ
ータは通信装置１１によって第３の演算装置８のメモリ
装置８Ｃに転送すると共に、第３の演算装置ｉＥ８での
演算によって得た値ｆ　ｉｌ１およびｎ　１４１を第２
の演算装置！７のメモリ装置７Ｄに転送し、記憶させる
。また、第１の演算装置６および第３の演算装置８でも
第２の演算装置７と同様の動作を行って第１および第３
の関節アクチュエータＩＧおよびＩＨを制御する。各演
算装置での演算において隣接する関節部のデータは１サ
ンプリング前のデータであるので、誤差を少なくするた
めに、各演算ユニットでの処理に内挿を用いている。上
述の演算手順を第２図に示す。

本実施例によれば、各演算ユニットでの演算に必要な隣
接する関節の限られたデータのみを専用回線によって転
送するための転送処理が各演算ユニッ１〜の処理と切り
離すことができ、バス型ネットワークによる通信のよう
なデータ通信のオーバヘッドがなく、各関節部での運動
方程式を各演算装置によって同時に解くことができるた
めに処理を高速化できる。また、ロボットアームの自由
度数が変化しても演算処理が変化しないために、サーボ
系の処理を安定にすることができる効果がある。特に、
予め経路が明らかでないロボットアームの運動方程式を
解く場合に有効である。

第３図は本発明の装置の他の実施例を示すもので、この
図において第１図と同符号のものは同一部分である。こ
の実施例はロボットアームの各関節での運動データを演
算し、この演算処理結果の信号を表示制御装置１３によ
り表示のための信号に変換し、この表示制御袋ｗ１１３
の出力信号を表示装置ｉ！１４に表示し、ロボットアー
ムの状態をシミュレーションするようにしたものである
。

この実施例においても、上述したシミュレーション表示
のための運動データの演算処理を早めることができるも
のである。

なお、上述した実施例においては、演算のための目標値
を、ホストコンピュータに予め記憶したが、他の入力手
段で構成してもよい６その入力手段としては、例えばキ
ーボード、あるいはマスタースレーブ形のマニピュレー
タではマスタアームの運動量を用いることができる。さ
らに、前述した実施例はロボットアームの自由度数が３
つの場合について説明したが、これに限られるものでは
ない。

〔発明の効果〕

本発明によれば、複数の関節部を有す、るロボットアー
ムの運動方程式を自由度数が変化しても、高速にかつ処
理時間を一定にて解くことができるので、サーボ系の処
理を安定にすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の一実施例を示す図、第２図はそ
の動作フローを示す説明図、第３図は本発明の装置の他
の実施例を示す図である６１・・・ロボットアーム、２
・・・ベース、３・・・制御装置。 ４・・・共有メモリ、５・・・ホストコンピュータ、６
・・・第１の演算装置、７・・・第２の演算装置、８・
・・第３の演算装置、９・・・ネットワーク、１０．１
１・・・通信装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、複数の関節部を有するロボットアームの制御装置に
   おいて、前記各関節部に対応し、その運動量を演算する
   演算ユニットとその処理データを記憶するメモリ装置と
   を有する演算装置と、各隣設する演算装置のメモリ装置
   間でデータを転送する通信装置とを備えたことを特徴と
   するロボットアームの制御装置。 ２、前記通信装置は専用回線で構成したことを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のロボットアームの制御装
   置。 ３、前記通信装置はシリアル転送であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のロボットアームの制御装
   置。 ４、前記通信装置はパラレル転送であることを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載のロボットアームの制御装
   置。