JPS63251808A - 多自由度マニピユレ−タの制御装置 - 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】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、多自由度マニピュレータの制御装置に係り、
・侍にマニピュレータの高速比・高精度比を図った多自
由度マニピュレータの制御装置に関する。

（従来の技術） 多自由度を有するマニピュレータのｉ！’ｊｊＮ装置に
は１通常１次の３つの方式が用いられている。すなわち
、その１つは、＠２図に示すようにマニピュＶ−夕１の
非線形特性や各自由度間の干渉等を全て無視し、各関節
２−１．２−２．・・・・・・２−ｎ毎に閉ループ制御
基を組み、それぞれのループにＰＩＤ制御器３−　Ｉ　
Ｉ　３−２　Ｉ−３−ｒｌ等を介挿させた制？ＩＩＩｖ
装置４を用いる方式である。

しかし、この劃−装置では、マニピュレータ゛１を高速
運動させようとすると、無視されていた非線形力や各自
由度間の干渉力の影響が太き（なり、制御性能が劣化す
るという問題があった。

また、その２つ目は、第３図に示すようにマニピュレー
タ１を剛体リンク機構としてモデル【Ｋ非線形の２階微
分方程式で我わされる）シ、各関節の２−１．・・・２
・・・ｎの角度、角速度等を用いて非線形補償要素５で
非鷹形力及び干渉力を計算で算出し、その計算結果を用
いて各関節毎に非線形補償を行う制閣装慢６を用いる方
式である。

しかし、実際にはマニピュレータは剛体ではなく、第４
図のようにアクチュエータとリンクの間のトルク伝達機
構はバネ特性を持りている。（リンクの剛性は伝達機構
に比べて十分高い）よって。

アクチュエータの回転角θａとリンクの回転角θ１の減
速比（≧１）倍とは同一ではない。よって。

通常用いられるアクチュエータの回転角センサの値のみ
による制菌方式では、トルク伝達機構の低剛性による各
リンクの振動を抑制することはできず、高速比・高ｗ１
度比ができないという問題があった。

また、その３つ目は、第５図に示すように、マニピュレ
ータの各リンクに掘勧抑削用としてＤロ速度センサ６１
〜６３を取り付け、゛その信号７６を、角度センサ５８
〜６０の信号７７とともにフィードバック演算するとい
う劃一方式である。しかし。

加速度センサの正確な取り付けは面倒であるし。

υ０速度センサはその構！！ｉ（ひずみゲージなど）か
ら精度を出すのは難しく、雑音や、振動以外の７１０速
度（重力成分など）をフィルタリングする必要があると
いう問題があった。

（宅間が解決しようとする問題点） 上述のとと（、従来の制御装置は、マニピュレータの非
線形力や干渉力の影響を受けたり、あるいはトルク伝達
機構の低剛性により各リンクの撮動が起こったり、ある
いはその振動防止策が不十分であるなどの問題があった
。

そこで本発明は、マニピュレータの非線形力や干渉力な
らびに、トルク伝達機構の低剛性による振動を防止し、
高速ｆヒ・高精度化を実現できる多自由度マニピュレー
タのｆ［ｔｌｌ［装置を提供することを目的としている
。

〔発明の構収〕

（間１点を解決するための手ｋ） 本発明に係る劃−装置は、マニピュレータの各自由度に
２いて、関節駆動用のアクチュエータに設けられた角度
センサとそのアクチュエータによりトルク伝達機構を介
して駆動されるリンクに設けられた角度センサとを備え
ておき、各アクチュエータの角度センサの値による非線
形演算結果と。

各自由度毎のアクチュエータ用角度センサの直とリンク
用角度センサの値の減速比（≧１）倍の差の値による線
形演算結果とを用いて、マニピュレータをリアルタイム
で劃−するようにしたものである。

（作用） 本発明の制薗装；硬では、フィードバックループが３つ
ある。つまり、１つ目は、マニピュレータを剛体リンク
機構と見なした場会の２階の非線形微分方程式に基づき
、各アクチュエータの角度センサの直を用いて、非線形
演算を行い、マニピュレータの非癲形力と各自由反間の
干渉力を補償するループである。

また、その２つ目は、各アクチュエータの角度センサ直
と対応するリンクの角ｒｆｉセンサの値の減速比（≧１
）＠の差の値の線形演算を行い、トルク伝達機構の低剛
性によるリンクの振動を防止するループである。

また、その３つ目は、各アクチェエータの角度センサの
１直と、目標角度の値の差にＰ　Ｉ　ＤＯＸ算を施し、
所望の目標角度追従特性を設定するループである。

上述の３つのループが協調することによってマニピュレ
ータの高速かつ高精度な動作が可能となるわけである。

（実、怖例） 以下１本発明の実施例を図面を参照しながら説明する。

第１図は本発明の一災施列に係る多自由度マニピュレー
タの１ｖＩｌｌＩＩＩｌ装置の例を示すものである。す
なわち１図中１０は制御対象であるｎ自由度マニピュレ
ータであり、３０はその制−装置である。

マニピュレータ１０は、１１をベースとして。

１番目のリンク１２からｎ番目のリンク１４まで回転ジ
ヨイント２４〜２６で支持されている。そして各自由度
には、アクチュエータ十威連機１５〜１７が配置され、
アクチュエータの回転角は。

１８〜２０の角度センサ、リンクの回転角は２１〜２３
の角度センサで検出される。

一方、制＠装置では上記アクチュエータ用角度センサ１
８〜２０リンク用角度センサ２１〜２３の出力を導入し
て、アクチュエータの回転角θａ１〜θａｎ及びリンク
の回転角θｌ、〜θＩｎを検出する検出部３１とアクチ
ュエータ１５〜１７にパワーを供給するドライバ部３２
と、θｌ、〜θｌｎｆ各々減速比倍するゲインＮｌ、〜
Ｎｎ３３と、θ町〜θａｎから当θ１１〜ＮｎθＩｎを
各々減算する４０と、その結果に線形演算を施す３４と
、θａ１〜θａｎを用いて公知のニュートン・オイラー
法で非線形補償演算を行う３５と、角度目標匝θｄ−〜
θｄｎを発生する３７とθｄ１〜θｄｎから各々θａ１
〜θａｎを減算する４１と、その結果にＰＩＤ？？！算
を施す３６と。

３４．３５１３６の結果をＤｏ算する４２とで構成され
ている。

次に実施例の動作原理について説明する。ｎ自由度マニ
ピュレータ１０を剛体多リンク機構と見なした場什の運
動方程式は Ｍｌ（θ）θ十ｆ（０，θ）＝９　四重・・（１）とな
ることはよく知られている。３５の非線形補償演算では
公知の二ニートン・オイラー法により、リアルタイムで
（１）式を解き、マニピュレータに働（非線形力、干渉
力をキャンセルすぺ（、計算結果τ、を卯算器４２に供
給する。

次に３４の線形演算部では、減算器４０１Ｃより得られ
た濱号θｅ（ｎＸ１ベクトル） θｅ＝［θａｌ−Ｎ、θｊｌ””＊θａｎ−Ｎｎθｌ　
ｎ　］　”−（２）に次のような演算を怖してτ、を４
２に供給する。

つまり、トルク伝達機構（減速機）のねじれ誤差θｅの
１階微分と２階微分の線形結合のフィードバックにより
て、リンクの撮動を防止することが可能となる。

また、３６０ＰＩＤ演算部では、所望の角度目漂［直を
発生する３７の出力θａ−４θｄ、、・・・、θｄｎ）
とθａ＝（θａ１・・Ｉθａｎ）Ｔの差θＶｃＰＩＤ演
算を施してて、を４２に供給する。

これら、３つのフィードバック演算の結果τ、。

τ３．τ、を４２でｖＯ轟し、３２のドライバ部に送る
ことで前記マニピュレータの高速・高精度な制−をリア
ルタイムで行うことができる。

〔地間の効果〕 以上述べたように本宅間によれば、マニピュレータの非
線形力、干渉力を補償し、リンクの撮動も防止できるの
で、運動の高速「ヒ・高ｖＩ度比を図れる多自山度マニ
ピュレータの制−装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本宅間の一実施例に係る制（財）湊儂のブロッ
ク構成図、＠２図から＠５図は従来の制（資）装置の構
成をそれぞれ説明するための概略図である。 １０・・・マニピュレータ、１１・・・ベース、１２〜
１４・・・リンク、１５〜１７・・・アクチュエータ士
トルク伝達機構（減速機）、１８〜２０・・・アクチュ
エータ角度センサ、２１〜２３・・・リンク角１ずセン
サ、２４〜２６・・・回転ジ３インド、３０・・・側倒
装置ｉｉｊ、４６・・・アクチュエータ角度センサ、４
７・・・アクチュエータ、４８・・・トルク伝達機構（
減速機）。 ４９・・・リンク、６１〜６３・・・υ０速度七ンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 多自由度を有するマニピュレータ制御装置において、各
   自由度で、関節駆動用のアクチュエータに設けられた角
   度センサと、そのアクチュエータによりトルク伝達機構
   を介して駆動されるリンクに設けられた角度センサとを
   具備してなり、各アクチュエータの角度センサの値によ
   る非線形演算結果と、各自由度毎のアクチュエータ用角
   度センサの値とリンク用角度センサの値の減速比（≧１
   ）倍の差の値による線形演算結果とを用いて、前記マニ
   ピュレータをリアルタイムで制御することを特徴とする
   多自由度マニピュレータの制御装置。