JPS6330905A - Hybrid control device for redundant manipulator - Google Patents
Hybrid control device for redundant manipulatorInfo
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
[産業上の利用分野]
本発明は、機械加工、組立、縫製等の一般的な産業分野
、あるいは極限環境下における加工、組立、保守4点検
等の作業に有効な冗長マニピュレータのハイブリッド制
御装置に関するものである。[Detailed Description of the Invention] [Industrial Application Field] The present invention is effective for general industrial fields such as machining, assembly, and sewing, or for work such as processing, assembly, and maintenance/inspection under extreme environments. The present invention relates to a hybrid control device for a redundant manipulator.
[従来の技術]
位置制御主体の産業用ロボットは、対象物との直接的な
接触による相互作用が生じない作業において有効である
が、対象物との相互作用が生じる場合には、有効に利用
することができない、即ち、位置制御主体の産業用ロボ
ットにおいては、如何に高精度に位置制御を行っても、
マニピュレータ自体が有している機械的誤差や位置等の
測定誤差があり、このような誤差はマニピュレータの位
置制御という観点からは非常に小さいものであるが、対
象物との相互作用時における大きな力の発生の原因とな
り、その力によって対象物を破損したり作業不能に陥る
ことになる。[Prior art] Industrial robots that mainly control position are effective in tasks that do not involve interaction through direct contact with objects, but cannot be used effectively when interactions with objects occur. In other words, in industrial robots that mainly rely on position control, no matter how precise the position control is,
The manipulator itself has mechanical errors and position measurement errors, and although these errors are very small from the perspective of controlling the position of the manipulator, they can cause large forces when interacting with an object. The force may cause damage to the object or make it impossible to work.
そこで、力制御を行うことが考えられるが、単に力の制
御を行っても適切に作業を行わせることは困難であり、
力と同時に位置の制御を行うハイブリッド制御が必要に
なる。Therefore, it is possible to perform force control, but it is difficult to get the work to be performed properly even by simply controlling force.
Hybrid control that controls both force and position is required.
本発明者は、このような要求な満たすハイブリッド制御
装置、即ちマニピュレータに対象物との相互作用が生じ
るような作業を行わせるに際し、その作業に応じた作業
座標系の中で、ある座標成分に関しては位置を、他の座
標成分に関しては力の制御を行い、それにより作業空間
において位置と力を同時に制御し、作業を高1h度に、
且つ・滑らかに実行することを可能にしたハイブリッド
制御装置を、既に提案(特開昭60−205716号公
報)している。The present inventor has proposed that when a hybrid control device that satisfies such requirements, that is, a manipulator, performs work that involves interaction with an object, it is possible to calculate a certain coordinate component in a work coordinate system corresponding to the work. controls the position and the force with respect to other coordinate components, thereby simultaneously controlling the position and force in the work space, and working at a high degree of 1 h.
Moreover, a hybrid control device that enables smooth execution has already been proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 60-205716).
しかしながら、この既提案のハイブリッド制御装置は、
一般的な3次元空間中における剛体の幾何学的自由度、
即ち位置及び方向に関する6自由度を有するマニピュレ
ータを対象としたもので、冗長自由度を有するマニピュ
レータに適用することはできない。However, this previously proposed hybrid control device
Geometric degrees of freedom of a rigid body in a general three-dimensional space,
That is, it is intended for a manipulator that has six degrees of freedom regarding position and direction, and cannot be applied to a manipulator that has redundant degrees of freedom.
[発明が解決しようとする問題点]
本発明の目的は、特に、冗長自由度を有する7自由度以
上のマニピュレータのための7Xイブリツド制御装置を
提供することにある。[Problems to be Solved by the Invention] An object of the present invention is, in particular, to provide a 7X hybrid control device for a manipulator having seven or more degrees of freedom with redundant degrees of freedom.
[発明が解決しようとする問題点]
上記目的を達成するため、本発明は、マニピュレータに
おける位置及び力の検出器によって得られた位置及び力
の情報をマニピュレータの関節座標系から作業座標系に
変換する座標変換部と、その座標変換部によって得られ
た位置及び力の情報と指令信号発生器からの位置及び力
の指令値との差として得られた位置及び力の指令ベクト
ルを関節座標系に変換してマニピュレータへの指令値と
する座標変換部とを備えたマニピュレータのハイブリッ
ド制御装置において、上記マニピュレータを7自由度以
上の冗長自由度を有するものとし、力の#報をマニピュ
レータの関節座標系から作業座標系に変換する座標変換
部と、位置の指令ベクトルを関節座標系に変換する座標
変換部とに、それらの座標変換部における演算の解を得
るために必要な上記冗長自由度に起因する拘束条件を付
加する拘束信号発生部を付設することにより構成される
。[Problems to be Solved by the Invention] In order to achieve the above object, the present invention converts the position and force information obtained by the position and force detector in the manipulator from the joint coordinate system of the manipulator to the work coordinate system. A coordinate transformation unit converts the position and force command vectors obtained as the difference between the position and force information obtained by the coordinate transformation unit and the position and force command values from the command signal generator into the joint coordinate system. In a hybrid control device for a manipulator, the manipulator has a redundant degree of freedom of seven or more degrees of freedom, and force # information is converted into a coordinate coordinate system of the joint coordinate system of the manipulator. This is due to the above-mentioned redundant degrees of freedom necessary to obtain the solution of the calculation in the coordinate conversion unit that converts the command vector of the position to the joint coordinate system. It is constructed by adding a constraint signal generation section that adds constraint conditions.
[作 用]
マこビュレータのハイブリッド制御を行うに際し、マニ
ピュレータが7自由度以上の冗長自由度を有する場合に
は、剛体が3次元空間内で持つ幾何学的自由度とマニピ
ュレータの持つ自由度の食い違いのために、力の情報を
マニピュレータの関節座標系から作業座標系に変換する
演算、及び位置の指令ベクトルを関節座標系に変換する
演算において、方程式が一意な解を持たない。従って、
制御のだめの演算を遂行するためには、何らかの意味で
の解を一つ与える必要がある。上記座標変換部に付設し
た拘束信号発生部は、このような解を得るために必要な
上記冗長自由度に起因する拘束条件を付加するものであ
り、これによって冗長自由度を有するマニピュレータの
ハイブリッド制御を実現することが町脂になる。[Function] When performing hybrid control of the makobulator, if the manipulator has seven or more redundant degrees of freedom, the geometric degree of freedom that the rigid body has in three-dimensional space and the degree of freedom that the manipulator has Due to the discrepancy, the equations do not have unique solutions in the calculations for converting force information from the joint coordinate system of the manipulator to the work coordinate system and the calculation for converting the position command vector to the joint coordinate system. Therefore,
In order to perform a control operation, it is necessary to provide a solution in some sense. The constraint signal generation unit attached to the coordinate transformation unit adds a constraint condition resulting from the redundant degrees of freedom necessary to obtain such a solution, and thereby performs hybrid control of a manipulator having redundant degrees of freedom. Achieving this becomes a town fat.
[実施例]
第1図は本発明に基づくハイブリッド制御を行うための
制御装置の構成を示すものである。[Embodiment] FIG. 1 shows the configuration of a control device for performing hybrid control based on the present invention.
同図におけるマニピュレータlは、複数の腕2゜3及び
手先4を関i5,6.7等により連結することにより、
7自由度以上の冗長自由度を有するものとして構成し、
各関節に位置及び力の検出器を設けている。このマニピ
ュレータ1は、先端の手先4が作業対象に対して直接接
触による相互作用を生じるものであるため、位置及び力
の制御を行゛う必要があるが、この場合に、作業空間の
座標系とマニピュレータの関節座標系が一致するとは限
らない、従って、各関節について、位置と力の両方を制
御するためのハイブリッド制御が必要となる。The manipulator l in the same figure is constructed by connecting a plurality of arms 2°3 and fingers 4 through links i5, 6.7, etc.
Constructed as having redundant degrees of freedom of 7 degrees of freedom or more,
Each joint is equipped with a position and force detector. In this manipulator 1, the hand 4 at the tip interacts with the work object by direct contact, so it is necessary to control the position and force, but in this case, the coordinate system of the work space The joint coordinate systems of the manipulator and the manipulator do not necessarily match, so hybrid control is required to control both position and force for each joint.
上記ハイブリッド制御を行うための制御装置は、マニピ
ュレータにおける位置及び力の検出器によって得られた
位置及び力の情報をマニピュレータの関節座標系から作
業座標系に変換する位置座標変換部(1)及び力座標変
換部(1)と、それらの座標変換部によって得られた位
置及び力の情報と位置及び力指令信号発生器からの位置
及び力の指令値との差として得られた作業位置指令ベク
トル及び作業力指令ベクトルを関節座標系に変換する位
置座標変換部(2)及び力座標変換部(2)と、上記力
座標変換部(1)と位置座標変換部(2)とに付設した
位置拘束信号□発生部及び力指令信号発生器とを備え、
さらに、位置座標変換部(2)からアンプを介して得ら
れる出力、力座標変換部(2)から精分回路を介して得
られる出力、及びマニピュレータの位置検出器からの位
置情報に基づくダイナミックス補償信号発生部の出力か
ら、マニピュレータへの位置及び力の指令値を求め、ド
ライバ回路を介してマニピュレータを動作させるように
構成している。The control device for performing the hybrid control includes a position coordinate conversion unit (1) that converts position and force information obtained by a position and force detector on the manipulator from a joint coordinate system of the manipulator to a work coordinate system; A coordinate transformation unit (1) and a work position command vector and A position coordinate conversion unit (2) and a force coordinate conversion unit (2) that convert work force command vectors into a joint coordinate system, and position restraints attached to the force coordinate conversion unit (1) and position coordinate conversion unit (2). Equipped with a signal generator and a force command signal generator,
Furthermore, the output obtained from the position coordinate conversion section (2) via the amplifier, the output obtained from the force coordinate conversion section (2) via the refinement circuit, and the dynamics based on the position information from the position detector of the manipulator. The configuration is such that the position and force command values for the manipulator are determined from the output of the compensation signal generator, and the manipulator is operated via the driver circuit.
なお、図中、 X :作業位置ベクトル F :作業力ベクトル θ :関節位置ベクトル T :関節力ベクトル Δ、x :作業位置指令ベクトル ΔF =作業力指令ベクトル Δθ :関節位置指令ベクトル ΔF 二関節力指令ベクトル 上付添字 r:目標値、O:現在値を示している。In addition, in the figure, X: Working position vector F: Work force vector θ: Joint position vector T: Joint force vector Δ, x: Work position command vector ΔF = Working force command vector Δθ: Joint position command vector ΔF Two-joint force command vector Superscript: r: Target value, O: Current value.
作業空間における作業指令値は、位置及び力の指令信号
発生器からの指令値X 、F として与えられ、一方
、上記マニピュレータ1においては、各関節5,6.7
に設けた位置及び力の検出器により、現在の位置(関節
角度)θ と力(トルク)Tが測定される。この測定結
果に基づき、まず、位置座標変換部(1)において、作
業座標上におけるマニピュレータの手先の位置と方向が
、即ち3次元空間内の剛体として持つ6つの幾何学的自
由度(位置と方向)が、
X=Δ(e) −・・(1)により、
関節角の関数としてベクトルの形で求められる。Work command values in the work space are given as command values X and F from position and force command signal generators, while in the manipulator 1, each joint 5, 6.7
The current position (joint angle) θ and force (torque) T are measured by a position and force detector installed at the position and force detector. Based on this measurement result, first, the position coordinate conversion unit (1) converts the position and direction of the manipulator's hand on the work coordinates to the six geometric degrees of freedom (position and direction) that the manipulator has as a rigid body in three-dimensional space. ), but due to X=Δ(e) −...(1),
It is determined in the form of a vector as a function of the joint angle.
一方、手先で発生している力F及びトルクNは、関節の
トルクTと次の方程式で関係付けられ、それらを作業座
標系に変換するため、力座標変換部(1)においては1
次式で示される方程式を解く演算が行われる。On the other hand, the force F and torque N generated at the hand are related to the joint torque T by the following equation, and in order to convert them into the work coordinate system, the force coordinate conversion unit (1)
An operation is performed to solve the equation shown by the following equation.
また、位置の指令ベクトルを関節座標系に変換する位置
座標変換部(2)においては、その変換のために、次式
で示される方程式を解く演算が行われる。In addition, in the position coordinate conversion unit (2) that converts the position command vector into the joint coordinate system, an operation is performed to solve the equation shown in the following equation for the conversion.
ΔM=JΔθ ・・争(3)さらに、力の
指令ベクトルを関節座標系に変換する力座標変換部(2
)においては、その変換のために、次式の演算が行われ
る。ΔM=JΔθ... (3) Furthermore, a force coordinate conversion unit (2) that converts the force command vector to the joint coordinate system
), the following calculation is performed for the conversion.
ΔT=J ΔF @・φ(4)各座標変換
部において上述した各演算を行うに際し、冗長自由度を
持つマニピュレータをハイブリッド制御するためには、
剛体が3次元空間内で持つ幾何学的自由度とマニピュレ
ータの持つ自由度の食い違いのために、その演算を単純
に実行することはできない。ΔT=J ΔF @・φ (4) When performing the above-mentioned calculations in each coordinate transformation section, in order to perform hybrid control of the manipulator with redundant degrees of freedom,
Due to the discrepancy between the geometrical degrees of freedom that a rigid body has in a three-dimensional space and the degrees of freedom that a manipulator has, it is not possible to simply perform this operation.
即ち、(2)及び(3)式の計算においては、ヤコビ行
列及びその転置行列を係数行列とする一次方程式を解か
なければならないが、冗長自由度を有t6マニピユレー
タにおいては、ヤコビ行列Jが正方行列ではないので、
普通の意味での逆行列を持たず、従ってこの方程式は一
意な解を持たない。さらに具体的に説明すると、(2)
式は未知数の個数よりも多くの方程式から成る連立方程
式であり、(3)式は逆に未知数の個数よりも方程式の
数が少ない連立方程式である。後者はいわゆる不定の場
合で、解は無数に存在し、前者は不能の場合で普通の意
味での解は存在しない、これらの方程式は、もともと本
来の非線形なシステムを線形近似してできたものである
から、必ずしも厳密な意味での唯一の解が存在する必要
はないが、制御のための計算を遂行するためには、何ら
かの意味での解を一つ与えることが必要である。That is, in calculating equations (2) and (3), it is necessary to solve a linear equation whose coefficient matrix is the Jacobian matrix and its transposed matrix. However, in a t6 manipulator with redundant degrees of freedom, the Jacobian matrix J is square. Because it is not a queue,
It does not have an inverse in the usual sense, so this equation has no unique solution. To explain more specifically, (2)
Equation (3) is a simultaneous equation consisting of more equations than the number of unknowns, and conversely, Equation (3) is a simultaneous equation consisting of fewer equations than the number of unknowns. The latter is the so-called indefinite case, where there are an infinite number of solutions, and the former is the impossible case, where there are no solutions in the ordinary sense.These equations were created by linear approximation of the original nonlinear system. Therefore, it is not necessary that a unique solution exists in the strict sense, but in order to perform calculations for control, it is necessary to provide one solution in some sense.
前記力座標変換部(1)と位置座標変換部(2)とに付
設した位置拘束信号発生部及び力拘束信号発生部は、そ
れらの座標変換部における演算の解を得るために必要な
上記冗長自由度に起因する拘束条件を付加するためのも
のである。The positional restraint signal generation section and the force restraint signal generation section attached to the force coordinate transformation section (1) and the position coordinate transformation section (2) are configured to perform the above-mentioned redundancy necessary to obtain the solution of the calculation in these coordinate transformation sections. This is for adding constraint conditions due to degrees of freedom.
また、これらの拘束信号発生部においては、制御方式に
応じた最適な解が得られるような拘束信号が発生される
8例えば、力座標変換部(1)では測定誤羨の影響が最
小になるような解が得られるように最小二乗法に基づく
゛拘束信号が発生され、また位置座標変換部(2)では
、エネルギ消費が最小になるように、解のノルム(絶対
値)を最小とするような拘束信号が発生される。ところ
で、それらの内容が実質的に同一の演算によって得られ
るものであるため、図面においては位置拘束信号発生部
及び力拘束信号発生部を個別的に示しているが、これら
単一の演算要素によって構成することができる。In addition, these restraint signal generators generate restraint signals that can obtain the optimal solution according to the control method8.For example, in the force coordinate transformation unit (1), the influence of measurement errors is minimized. A constraint signal based on the least squares method is generated to obtain a solution such as A restraining signal is generated. By the way, since their contents are obtained by substantially the same calculation, the position restraint signal generation section and the force restraint signal generation section are shown separately in the drawings, but these single calculation elements Can be configured.
第1図は本発明のハイブリッド制御装置のブロック構成
図である。
1 ロマニビュレータ。
指定代理人
工業技術院機械技術研究所長
清 水 嘉 重 部FIG. 1 is a block diagram of a hybrid control device according to the present invention. 1 Romanibulator. Designated Agent Yoshibe Mizu, Director, Mechanical Technology Research Institute, Agency of Industrial Science and Technology
Claims (1)
て得られた位置及び力の情報をマニピュレータの関節座
標系から作業座標系に変換する座標変換部と、その座標
変換部によって得られた位置及び力の情報と指令信号発
生器からの位置及び力の指令値との差として得られた位
置及び力の指令ベクトルを関節座標系に変換してマニピ
ュレータへの指令値とする座標変換部とを備えたマニピ
ュレータのハイブリッド制御装置において、上記マニピ
ュレータを7自由度以上の冗長自由度を有するものとし
、 力の情報をマニピュレータの関節座標系から作業座標系
に変換する座標変換部と、位置の指令ベクトルを関節座
標系に変換する座標変換部とに、それらの座標変換部に
おける演算の解を得るために必要な上記冗長自由度に起
因する拘束条件を付加する拘束信号発生部を付設した、 ことを特徴とするマニピュレータのハイブリッド制御装
置。[Claims] 1. A coordinate conversion unit that converts position and force information obtained by a position and force detector in the manipulator from a joint coordinate system of the manipulator to a work coordinate system; and a coordinate conversion unit that converts the position and force command vector obtained as the difference between the position and force information obtained from the command signal generator and the position and force command value from the command signal generator into a joint coordinate system and provides the command value to the manipulator; A hybrid control device for a manipulator, wherein the manipulator has seven or more redundant degrees of freedom, and a coordinate conversion unit that converts force information from a joint coordinate system of the manipulator to a work coordinate system; A constraint signal generation unit is attached to a coordinate conversion unit that converts the command vector to a joint coordinate system, and a constraint signal generation unit that adds a constraint condition due to the redundant degrees of freedom necessary to obtain a solution to the calculation in the coordinate conversion unit. A hybrid control device for a manipulator characterized by the following.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61175137A JP2560212B2 (en) | 1986-07-25 | 1986-07-25 | Redundant manipulator hybrid control device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP61175137A JP2560212B2 (en) | 1986-07-25 | 1986-07-25 | Redundant manipulator hybrid control device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPS6330905A true JPS6330905A (en) | 1988-02-09 |
JP2560212B2 JP2560212B2 (en) | 1996-12-04 |
Family
ID=15990935
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP61175137A Expired - Lifetime JP2560212B2 (en) | 1986-07-25 | 1986-07-25 | Redundant manipulator hybrid control device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2560212B2 (en) |
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- 1986-07-25 JP JP61175137A patent/JP2560212B2/en not_active Expired - Lifetime
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JP2560212B2 (en) | 1996-12-04 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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EXPY | Cancellation because of completion of term |