JPH02141398A - 宇宙装置の姿勢保持制御方式 - 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】 〔概要〕 宇宙ロボット等の宇宙装置に於ける作業用アーム等の運
動による反作用を打ら消して、宇宙装置の本体重心位置
や姿勢角を保持する宇宙装置の姿勢保持制御方式に関し
、 作業用のアーム等による反作用を、他のアームの運動に
よって打ち消すことを目的とし、本体から突出した複数
のアームと、該アームの運動制御を行う駆動部と、該駆
動部を制御する制御部とを有する宇宙装置に於いて、前
記複数のアームの中の任意の１本のアームを軌道＃Ａ（
ｔ）に従って前記駆動部により運動させる時、前記任意
の１本及び他の１本のアームの質量や位置ベクトルに対
応した関数行列ＨＡ、Ｉ１．を基に、軌道＃。

（１１の時間微分値■Ｄ（ｔ）を、 小ｏ　（ｔ）−Ｆ（Ｄ　　）ＩＡ　　φＡ（ｔ）によっ
て算出し、前記他の１本のアームの駆動部を制御して前
記軌道■Ｄ（ｔ）に従った運動を行わせて、前記任意の
１木のアームの運動による前記本体への反作用を打ち消
すように構成した。

〔産業上の利用分野〕

零発１リロよ、宇宙ロボット等の宇宙装置に於ける作業
用アーム等の運動による反作用を打ち消して、宇宙装置
の本体重心位置や姿勢角を保持する宇宙装置の姿勢保持
制御方式に関するものである。

宇宙ロボット等の宇宙装置に於ける本体に対して、作業
アーム等のアームの質量が無視できない場合には、その
アームの運動による反作用によって本体の重心位置及び
姿勢角が変化することになり、この重心位置及び姿勢角
等を維持することが必要となる。

〔従来の技術〕

従来のロケットや人工衛星に於いては、その位置の変化
を加速度計等により検出し、スラスタをアクチュエータ
として制御する方式が一般的である。又姿勢制御に関し
ては、ジャイロスコープ。

地球センサ、太陽センサ、星センサ等を検出器とし、こ
の検出器による検出信号に基づいて、スラスタ、フライ
ホイール、制御モーメントジャイロ等をアクチュエータ
として制御する方式が一般的である。

このようなアクチュエータとしては、例えば、第５図に
示すように、本体５０に、姿勢制御用のフライホイール
又は制御モーメントジャイロ５１５２．５３と、歳差運
動スラスタ５４と、スピンスラスタ５５と、移動用のス
ラスタ５６等を備えている。制御モーメントジャイロ５
１，５２゜５３は、ｘ、ｙ、ｚ軸封部に設けられており
、図示を省略した太陽電池により充電される電池を電源
として駆動され、回転軸を傾けることにより、本体５０
の姿勢を制御することができる。又歳差運動スラスタ５
４．スピンスラスタ５５．移動用のスラスタ５６は、燃
料を噴射することにより、本体５０の姿勢又は位置を制
御するものである。

従って、搭載燃料を費消し尽くした時或いは電池の給電
能力が低下した時に、姿勢制御が不可能となるから、所
定の軌道上又は所定の方向を維持することが困難となり
、静止衛星等に於いては、寿命が来たと見做している。

又宇宙空間に於ける作業用のマニピュレータが知られて
いるが、例えば、スペースシャトル等のように、本体に
対してマニピュレータの質量が非常に小さいものが一般
的である。従って、マニピュレータの運動による反作用
によって、本体の重心位置や姿勢角等の変化は無視でき
る程度のものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

宇宙空間に於ける各種の作業を行う為に、宇宙ロボット
を使用することが考えられる。このような宇宙ロボット
も打ち上げ用ロケットにより地球から宇宙空間に打ち上
げられるものであるから、できるだけ重量を軽減する必
要がある。その為に宇宙ロボットの作業用のアームの質
量が本体に比較して無視できないものとなり、その作業
用のアームを用いて各種の作業を行わせる時、そのアー
ムの移動に伴う反作用が本体に作用して、本体の位置や
姿勢が変化するから、本体の初期位置を基準に目的物に
到達する軌道を与えてアームを移動させても、目的物に
到達しない場合が生じる。

このように本体の位置や姿勢が変化した時、第５図に示
すような姿勢制御手段によって元の位置又は姿勢角に復
帰させれば良いことになる。その場合のフライホイール
又は制御モーメントジャイロによる姿勢制御の能力は、
回転質量に対応したものとなるから、作業用のアームに
よる反作用を打ち消して姿勢角を維持する為には、大き
な回転質量を必要とすることになる。それによって本体
の重量が増大し、打ち上げ用ロケットが大型化する欠点
が生じる。

又スラスタを用いて作業用のアームの反作用を打ち消し
、本体の姿勢角を維持することができるが、作業用のア
ームを動かす度に燃料を噴射することになるから、燃料
消費量が増大する。即ち、搭載燃料を多くする必要が生
じて、本体の打ち上げ重量が増大し、打ち上げ用ロケッ
トが大型化する欠点が生じる。

又宇宙ロボット以外の通信衛星や各種の人工衛星等の宇
宙装置に於いても、アンテナやマニピュレータを動かす
ことによる反作用によって、位置や姿勢角が変化するこ
とになり、その変化を抑制して、元の位置や姿勢角に維
持する為には、前述のような各種のアクチュエータを駆
動する必要がある。

本発明は、作業用のアーム等による反作用を、他のアー
ムの運動によって打ち消すことを目的とするものである
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の宇宙装置の姿勢保持制御方式は、第１図を参照
して説明すると、本体ｌから複数のアーム２−１〜２−
ｎを突出し、駆動部３−１〜３−ｎにより各アーム２−
１〜’ｌ−ｎの運動制御を行い、各駆動部３−１〜３−
ｎを制御部４によって制御し、複数のアーム２−１〜２
−ｎの中の任意の１本のアームを、軌道φＡ　（ｔ）に
従って駆動部により運動させる時、この任意の１本及び
他の１本のアームの質量や位置ベクトルに対応した関数
行列１（。、ｆ（Ａを基に、他の１本の軌道φ。（１）
の時間微分値艶。＋１１を、 珈ｏ　　（Ｌｌ＝　　Ｈｏ　　ｔｅＡ　　礎Ａ　（ｔ）
によって算出し、前記他の１本のアームの駆動部を制御
して、軌道φ、（【）に従った運動を行わせて、前記任
意の１本のアームの運動による本体１への反作用を打ち
消すものである。

〔作用〕

制御部４ば、複数のアーム２−１〜２−ｎの軌道計算を
行って、それぞれの駆動部３−１〜３−ｎを制御するも
のであり、任意の１本のアームを目的物に向かって移動
させる時に、その目的物までの軌道■Ｄ（ｔ）と、その
時間微分ｊＡ（Ｕによる速度と、更には加速度とを求め
、それを基に、この任意の１本のアームに対して、例え
ば、対称位置にある他の１本のアームの軌道φ。＜１）
の時間微分値１ｎ（ｔｌを、関数行列１（Ｄ、Ｉｌ、と
７Ａ（ｔ＋とを用いて計算し、それを基にアームの駆動
データを計算する。それによって駆動部を制御し、任意
の１本のアームを移動させると共に、他の１本のアーム
も移動させて、本体］に働く任意の１本のアームによる
反作用を、他の１本のアームの動きにより打ち消すもの
である。

〔実施例〕

以下図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明
する。

第２図は本発明の実施例のブロック図であり、宇宙ロボ
ットや各種人工衛星等の宇宙装置の本体１１に、左右各
１本のアーム１２−１．１２−２を備えた場合を示す。

又１３−１．１３−２は駆動部、１４は制御部、１５は
位置センサ、１６は姿勢センサ、１７はフライホイール
又は制御モーメントジャイロ、１８はスラスタ、Ｉ９は
電源である。この電源１９は太陽電池から充電される電
池により構成され、各部に電力が供給される。

制御部１４は、プロセッサ等により構成され、位置セン
サ１５及び姿勢センサ１６の検出情報を基に、本体１１
を所定位置及び所定姿勢角に維持するように、フライホ
イール又は制御モーメントジャイロ１７及びスラスタ１
８を制御し、又位置及び姿勢角を変更するように指令さ
れた場合に、スラスタ１８等を制御するものである。

又制御部１４は、作業指令等に従って、アーム１２−１
．１２−２により各種の作業を行わせる為の軌道計算等
を行い、駆動部１３−１．１３−２を制御するものであ
り、駆動部１３−１．１３−２は、電源１９からの電力
によってアーム１２−１．１２−２を動かすものであり
、アームＩ２−１．１２−２は、例えば、それぞれ６関
節による動きが可能な６自由度の構成とすることができ
る。

アーム１２−１．１２−２の制御に於いて、制御部１４
は、一方のアームを目的物に向かって移動させる為に与
えられた軌道に従って、そのアームによる反作用を打ち
消す為の他方のアームの軌道を計算し、その計算結果に
基づいて、一方のアームを目的物に向かって移動させる
ように駆動部を制御し、且つ他方のアームの駆動部を制
御し、一方のアームによる本体１１への反作用を、他方
のアームの動きにより打ち消すものである。

第３図はアームのベクトル説明図であり、Σ７は慣性系
、ＸＡ、ＹＡ、ＺＡは慣性系の座標軸、ＯＡは惧性系座
標の原点、Σ８は本体重心座標系、ＸＩ　ｒ　　’１Ｂ
　ｒ　　ｚｌは本体重心座標系の座標軸、０、は本体重
心座標系の原点、Ｇは全体系の重心％［？Ｇは全体系の
重心位置ベクトル、Ｒ８は本体重心位置ベクトル、Ｒ１
は第ｐアームの第ｉリンクの重心位置ベクトル、「、は
全体系の重心から本体系重心への位置ベクトル、ｒｐｉ
は全体系の重心から第ｐアームの第ｉリンクの重心への
位置ベクトル、θ、直は第ｐアームの第ｉリンクの関節
回転角である。

第３図に於いては、１本のアームのみを示しているが、
本体に対して左右にアームを設けた場合は、前述のｐは
１，２となり、又各アームの自由度を６とすると、前述
のｉは１〜６となる。

又本体に対して左右２本のアームを設けた場合に於いて
、右アームはＲ１左アームは■７の添字で示し、各アー
ムが６自由度を有する場合（ｉ＝１〜６）、各関節の回
転自由度＃開、φＬは、次式％式％ 又本体重心位置ベクトルＲ６及び姿勢角φ、は、と表す
ことができる。

この（２ａ）式のＲ８は、慣性系Σ。からみた本体重心
位置ベクトルであり、φ８は適当に定義されたオイラー
角である。

全運動量保存則は、系全体に外力が働かない場合に、常
に成立する物理法則であり、本体の質量をｍＩｌ、アー
ムの手先の質量をｍ　＠ｐ、　ｍ　Ｌｐ、各リンクの質
量をｍ□、　ｍＬｉ、アームの手先の位置ベクトルの時
間微分＋ＲＲ−，ＩＲＬいとすると、全運動量Ｐは、一
定（ｃｏｎｓｔ、）であるから、Ｐ＝ｍＩＩｐＩＩ　＋
ｍＲ，ｉ１１．＋ｍＬ、ｉＬ。

ることが判る。即ら、次式で示すものとなる。

ｌＲｃ　＝ｖｃ　　ｔ＋ＩＲｃ。

ここで、ＩＲｃは慣性系Σ８に対して静止しているとす
る。即ち、Ｐ＝０である。

又全角運動量保存則は、系全体に外からトルクが肋かな
い場合に常に成立する物理法則であり、全角運動量りは
、 Ｌミｒｎｌｌ　　ｒｌＩ　Ｘ　ｒ　Ｂ　＋ｍ、ｐｒ　ｐ
、ｘ　ｒ　、、＋と表すことができる。故に、 ＩＲｃ、＝　　（ｍａ　Ｐｇ　　＋ｍ＊ｐｆＲＲｐ＋ｍ
ＬｐＲｔｐ十と表すことができる。ここで、 と定義すると、（３）式よりＲｏは等速直線運動をす又
、Ｉｌ＋＋　、　　Ｉｌ＋＋−、ＩＩＬＰ、Ｉ＋＋ｔ、
冒ｌは、それぞれ慣性テンソルを表し、ω［、ω■、ω
Ｌｐ＋ωア１．ωＬｉはそれぞれ角速度を表す。

ここで、全体系の初期全角速度を零とする。即ち、Ｌ＝
０とする。

前述の（３）式及び（６）式に於いて、位置の時間微分
及び角速度を、（ｌａ）　、　（ｌｂ）　、　（２ａ）
　、　（２ｂ）式の時間微分で表現すると、 ｉ？ｕ　＝Ｆ　Ｊａ　＋ＣＲｊｌｔ　＋　Ｇｔ　謙Ｌ　
　　−・（８）Ｋ、φ、　＋に、　Ｌｌｌｌ　＋ｉＫｔ
　φ、−〇　　・−（９）ここで、Ｆ、Ｇ、、ＯＬ及び
ＩＫ、、に、、ＫＬは、各成分が＋１）、　（２）式に
よる関数行列である。例えば、Ｆは３×３行列、ＧＲ，
ＧＬは３×６行列、Ｋｌｌは３×３行列、Ｋｍ、ＩＫＬ
は３×６行列からなるものである。

前記（８）式と（９）式とが系全体を支配する基本方程
式であり、本体の姿勢角を保持することは、（８）式と
（９）とに於いて、套、＝０とすることであり、同様に
、本体重心位置の保持は、会、＝０とすることである。

この時、左右のアームの動きを規定する次の基本方程式
が得られる。

Ｈ，φｇ　＋ｏｔ　φＬ千〇 ・θ０） 右アームを目的物に近づける場合、その為の軌道ＪＲ（
ｔｌを地上系と全く同様の環境として求め、その右アー
ムを制御する為のφ＊（１）、　　φＲ（【）が得られ
ると、左アームの軌道ψＬ　（ｔ）の時間微分金。

（【）を、 ＃Ｌ　（ｔ）＝　　ＨＬ　ＨＲ＄１１　（１１−−Ｑ：
ｌ）とし、右辺にφや（ｔ）、φＲ（ｔ）を代入して、
この微分方程式を解き、その結果に従って左アームを右
アームの動きに同期して動かすことにより、右アームの
動きによる本体への反作用を、左アームの動きによって
打ち消すことができる。

第４図は本発明の実施例の要部フローチャー１・を示し
、前述のように、左右のアームを本体に設けた場合、右
アームを目的物に向かって移動させる時■、その右アー
ムの初期位置から目的物までの軌道φえ（【）、その時
間微分−Ｒ（１１（速度）、更にその時間微分の加速度
を設定し■、０濁式に基づいて左アームの軌道の時間微
分■Ｄ（ｔ）と、更にその時間微分（ｄ／ｄｔ（ｊｌｔ
（１）））とを求め■、右アームと左アームとについて
求めた軌道、その時間微分、更にその時間微分の値を用
いてニュートン・オイラー法等により左右アームのトル
クを計算し■、算出されたトルクとなるように、右アー
ムの動作に合わせて左アームを動作させる■。

それによって、右アームによる反作用を左アームの動き
により打ら消して、本体の位置及び姿勢角を保持するこ
とができる。

このような反作用の打ち消しの為の左アームの動きは、
右アームの動きに対して単に反対としただけでは、本体
の姿勢角を保持できない場合が生じるものであり、その
為に前述の０１式に基づいて左アームの軌道φＬ　（１
１を求めて、右アームの各種の動きに対しても、本体の
位置及び姿勢角を保持できるようにしたものである。

前述の実施例は、左右のアーム１１−１　１２＝２を本
体１１に設けた場合であるが、更に多数のアームを設け
ることも可能である。そして、任意の１本のアーム八を
［１的物に向かって移動させる時に、その軌道φＡ　（
ｔｌが与えられると、０３）式に基づいて他の１本のア
ームＤの軌道■Ｄ（ｔ）の時間微分を制御部１４に於い
て計算し、それを基に任意の１本のアーム八を移動させ
ると共に、他の１本のアームＤを移動させ、任意の１本
のアーム八による本体への反作用を、他の１本のアーム
Ｄの動きにより打ち消して、本体の位置及び姿勢角を保
持するものである。

前述のアームの制御に於い°ζ、反作用の打ち消し誤差
は、制御モーメント・ジャイロ等により補正することが
できるから、スラスタを使用する必要がなく、従って、
搭載燃料を使用することなく、且つ制御モーメント・ジ
ャイロの重量を増加することなく、位置及び姿勢角を保
持することができる。又反作用の打ち消し誤差を少なく
する為には、位置センサや姿勢センサの検出情報を基に
、他の１本のアームＤの軌道φ、　（１）に基づいた動
きを補正することができる。即ち、制御部１４は、位置
センサ１５及び姿勢センサ１６の検出情報を処理し、ア
ーム１２−１．１２−２の動きの過程で位置及び姿勢角
が変化した場合に、それを補正するように、反作用打ち
消し用のアームの動きを補正することになる。

又前述の実施例は、宇宙ロボットの作業用のアームにつ
いて示すものであるが、人工衛星等の宇宙装置に於ける
アンテナの方向制御や、マニピュレータによる作業等に
於いても、本体に対して運動するアーム部分が存在する
時に、これに対応するアーム部分を設けて、本体に作用
する反作用を打ら消すことができる。又アームの動きが
複数種類の予め定められた軌道に従ったものである場合
は、反作用打ち消し用のアームの軌道を予め計算して、
メモリに記憶させておき、それを読出して制御するよう
に構成すれば、制御部１４の処理負担を軽減することが
できる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明は、本体１に設けた複数の
アーム２−１〜２−ｎの中の任意の１本のアームを軌道
＃Ａ（ｔ）に従っ”ζ目的物に向かって移動させた時に
、Ｑ３）式に基づいて制御部４は他のアームの軌道■Ｄ
（ｔ）を求めて、任意のＩ木のアームの動きに合わせて
他の１本のアームの動きを制御し１．任意の１本のアー
ムによる本体ｌへの反作用を、他の１本のアームにより
打ち消して、本体ｌの位置及び姿勢角を保持するもので
あり、それによって、燃料噴射による本体１の位置及び
姿勢角の保持を行う必要がないから、打ち上げ時の重量
を増加しなくても、搭載燃料の節約により、宇宙空間に
於ける寿命を延長することが可能となる利点がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理説明図、第２図は本発明の実施例
のブロック図、第３図はアームのヘクＩ・ルの説明図、
第４図は本発明の実施例の要部フローチャー１・、第５
図はアクチュエータの説明図である。 １は本体、２−１〜２−ｎはアーム、３−１〜３−ｎは
駆動部、４は制御部である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 本体（１）から突出した複数のアーム（２−１〜２−ｎ
   ）と、該アーム（２−１〜２−ｎ）の連動制御を行う駆
   動部（３−１〜３−ｎ）と、該駆動部（３−１〜３−ｎ
   ）を制御する制御部（４）とを有する宇宙装置に於いて
   、 前記複数のアーム（２−１〜２−ｎ）の中の任意の１本
   のアームを軌道■＿Ａ（ｔ）に従って前記駆動部により
   運動させる時、前記任意の１本及び他の１本のアームの
   質量や位置ベクトルに対応した関数行列■＿Ｄ、■＿Ａ
   を基に、軌道■＿Ｄ（ｔ）の時間微分値■＿Ｄ（ｔ）を
   、 ■＿Ｄ（ｔ）＝−■＿Ｄ■＿Ａ■＿Ａ（ｔ）によって算
   出し、前記他の１本のアームの駆動部を制御して前記軌
   道■＿Ｄ（ｔ）に従った運動を行わせて、前記任意の１
   本のアームの連動による前記本体（１）への反作用を打
   ち消すことを特徴とする宇宙装置の姿勢保持制御方式。