JPH0532197B2 - - Google Patents

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JPH0532197B2
JPH0532197B2 JP63080079A JP8007988A JPH0532197B2 JP H0532197 B2 JPH0532197 B2 JP H0532197B2 JP 63080079 A JP63080079 A JP 63080079A JP 8007988 A JP8007988 A JP 8007988A JP H0532197 B2 JPH0532197 B2 JP H0532197B2
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JP
Japan
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joints
manipulator
joint
actuator
holding brake
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JP63080079A
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Hirohiko Arai
Akira Tate
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Agency of Industrial Science and Technology
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J19/00Accessories fitted to manipulators, e.g. for monitoring, for viewing; Safety devices combined with or specially adapted for use in connection with manipulators
    • B25J19/0004Braking devices
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J9/00Program-controlled manipulators
    • B25J9/02Program-controlled manipulators characterised by movement of the arms, e.g. cartesian coordinate type
    • B25J9/04Program-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
    • B25J9/041Cylindrical coordinate type
    • B25J9/042Cylindrical coordinate type comprising an articulated arm
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B25J9/00Program-controlled manipulators
    • B25J9/16Program controls
    • B25J9/1615Program controls characterised by special kind of manipulator, e.g. planar, scara, gantry, cantilever, space, closed chain, passive/active joints and tendon driven manipulators
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明はn自由度のマニピユレータアームの
位置制御をするための技術に関するものである。
人間の手作業代行のため、多自由度のリンクから
なるアームを有するロボツトが開発され、人間の
行う巧みの動作を実現するため、位置制御が行な
われている。
[従来の技術] マニピユレータの最も基本的なハードウエア上
の構成は、リンク機構の各関節に対しその関節を
駆動する1個のアクチユエータとその関節の回転
を検出するセンサが対応するものである。従つて
マニピユレータは通常各関節で実質的に独立の位
置決め能力を持ち、マニピユレータの自由度とア
クチユエータの個数は一致する。自由度の数に比
べて、アクチユエータの数を減すことを目的とし
てアクチユエータ数より多い自由度を制御する
種々の手法が提案されているが、差動機構と対象
物の拘束による方法や、関節間に動力伝達機構を
設ける方法等、機構に依存するものが中心であ
る。
[発明が解決しようとする課題] しかし、機構に依存する上記従来の方法はマニ
ピユレータの構造を複雑にし、これにともなつ
て、価格が高価になりかつマニピユレータの重量
を大きくするので、大きな駆動エネルギーを必要
とする。
このようなことからマニピユレータ関節のアク
チユレータ類を減少させ、大幅なコストダウンを
可能にし、また関節を軽量化することが可能であ
り、アクチユエータの小型化、省エネルギー化を
可能とするマニピユレータ及びその制御方法を提
供することを目的とするものである。
[発明が解決しようとする課題] 以下では関節を回転関節として述べるが、直動
関節についても全く同様に適用できる。
この目的に対応して、この発明のマニピユレー
タは、n自由度のマニピユレータであつて、n個
の関節部を有し、n個の関節部のうちのk個の関
節部にアクチユエータを備え、残りn−k個(k
≧n−k)の関節部にアクチユエータを備えず保
持ブレーキを備えていることを特徴としている。
また、この発明のマニピユレータの制御方法
は、n自由度のマニピユレータであつて、n個の
関節部を有し、n個の関節部のうちのk個の関節
部にアクチユエータを備え、残りn−k個(k≧
n−k)の関節部にアクチユエータを備えず保持
ブレーキを備えるマニピユレータの操縦方法であ
つて、保持ブレーキを解放した状態では関節間の
動的干渉によりアクチユエータを有する関節のト
ルクまたは力によつてアクチエータを備えない関
節に角加速度または加速度を発生させてアクチユ
エータを有しない関節の角度または変位を制御
し、保持ブレーキを作動した状態ではアクチユエ
ータを有する関節を角度または変位をアクチユエ
ータにより制御することを特徴としている。
[作用] この発明のマニピユレータ及びマニピユレータ
の制御方法では、k個のアクチユエータのトルク
によつて保持ブレーキを開放した状態で保持ブレ
ーキのみの(n−k)個の関節を含むk個の関節
の角度を制御し、保持ブレーキを作動させた状態
で残りの(n−k)個の関節の角度を制御し、こ
れによつてマニピユレータの手先を任意の点から
任意の点に移動させることができる。
[実施例] 以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面に
ついて説明する。
マニピユレータの力学系が通常持つている非線
形性・干渉性は各関節上に構成されたサーボ機構
に対して外乱として働く。この外乱トルクを補償
することがマニピユレータの制御における主要な
問題の一つとなつている。ところが外乱トルクが
発生するということは、他の関節の運動によつ
て、それ自信はトルク発生能力を持たない関節の
運動を引き起こすことができるということでもあ
る。
この発明はアクチユエータを持たない受動関節
を有するマニピユレータを、このような動力学的
干渉性を利用して制御する技術に関するものであ
る。
まず、原理を説明する。
第1図において、1はマニピユレータである。
マニピユレータ1は複数のリンクl{l1,l2…lo
を関節C{C1,C2…Co}で連結したn自由度をな
している。先端のリンクloはハンド2となつてい
る。複数の関節C{C1〜Co}のうち、任意のk個
の関節C{C1…Co-2,Co}にはアクチユエータA
{A1…Aj…Ak}が備えられており、残余の(n−
k)個の関節C{C2…Ci+1…Co-1}には保持ブレ
ーキB{B1…Bo-k}が備えられている。
アクチユエータAはそれぞれ隣り合うリンクを
駆動して相対位置、相対角速度、相対角加速度を
制御可能である。
保持ブレーキBはそれぞれ隣り合うリンクの動
きを制御、開放可能である。
ここでの制御対象をn自由度のマニピユレータ
とする。そのうちk(≧n/2)自由度の関節C
は通常のマニピユレータ同様、アクチユエータA
とセンサ(図示せず)で構成される能動関節と
し、残りn−k自由度はアクチユエータを持た
ず、保持ブレーキBとセンサのみからなる受動関
節とする。
保持ブレーキONの状態では受動関節は動かな
いため、通常のマニピユレータと同じ方法により
能動関節が制御できる。また保持ブレーキOFF
の状態では受動関節は自由に回転するため、能動
関節を動かすことにより発生する干渉トルクで間
接的に受動関節が制御できる。これら2つの制御
モードの組合せによりマニピユレータを任意の位
置から任意の位置に移すPTP制御を考える。
マニピユレータの運動方程式は次のように表わ
すことができる。
M(q)q¨+h(q,q〓)+Γq〓+q(q)=τ…
…(1) 但しqは関節角、τは関節トルク、M(q)は慣性
列、h(q,q〓)はコリオリ・遠心力、Γは粘性
摩擦行列、g(q)は重力を表わす。
保持ブレーキOFFの場合、受動関節のトルク
はゼロであるから、 τ=(τ1,τ2,…,τk,O,…,O)t =((τ′)t ……(2) (注:ベクトルτ,q等の要素は必ずしも関節の
幾何学順序通りに並んでいない。) (1)のq,q〓に各関節でセンサで計測された現在値
を代入すると、h(q,q〓)+Γq〓+g(q)は値を求

ることができて定数項となる。またM(q)も定数行
列となつて(1)はτとq¨に関する連立1次方程式と
みなすことができる。ここでq¨の要素のうち受動
関節をすべて含むk個を選んで目標値ψ¨=(ψ¨1
…,ψ¨ktを与える。また残りn−k個をφ¨=(φ
¨1
…,φ¨o-ktとおき、慣性行列M(q)のそれぞれに対
応する部分を M1(q),M2(q)とすると(1)は、 M1(q)ψ¨+h(q,q〓)+Γq〓+g =τ+M2(q)φ¨ =AX ……(3) 但し 行列Aが正則ならば(3)は解くことができ、X =A-1{M1(q)ψ¨+h(q,q〓) +Γq〓+g(q)} ……(4) すなわちアクチユエータトルクτ′で及び目標値を
与えられなかつた関節の角加速度φ¨が求められ
る。
結局、k個の能動関節のトルクによつてn−k
個の受動関節を含むk個の関節の角加速度を制御
することができる。
<制御アルゴリズム> PTP制御を考える場合、第2図、第3図及び
第4図に示すように、軌道を次の3つの区間にわ
ける。
起動区間(O<t<T1、保持ブレーキON) 開放区間(T1<t<T2、 保持ブレーキOFF) 減速区間(T2<t<T3、 保持ブレーキON) このうちの区間において受動関節を含むk個
の関節を目標軌道に沿つて動かし、,の区間
において残りの関節を初期位置から目標位置まで
動かす。
の区間における軌道とアクチユエータ出力は
次のように決定される。
受動関節をすべて含むk個の関節に対しに
おける角度ψ、角速度φ¨、角加速度ψ¨の軌道を
与える。(但し境界条件としてt=T1,T2にお
いてφ¨=O) 残りn−k個の関節について、角度φ、角速
度φ〓のt=T1における値を与える。
t=T1において(4)の計算を行い、アクチユ
エータトルクτ′及び角加速度φ〓を求める。
数値積分により次のサンプリング時刻におけ
る角速度φ、角度φを求める。
{(4)の計算→数値積分}を反復し、の全区
間にわたつてアクチユエータトルクτ′及び角加
速度q¨,角速度q〓、角度qを決定する。
制御を実行する際には次のようなフイードバツ
ク則を用いる。で与える角度、角速度、角加速
度の目標値をそぞれψd,ψ〓d,ψ¨dとする。またセ
ンサで計測された角度、角速度をψ,ψ〓とする。
ψ¨=ψ¨d+ζωo(ψ〓d−ψ〓) +ωo 2(ψd−ψ) ……(5) とおき、この角加速度ψ¨をアルゴリズムの〜
で用いる。
,の区間におけるφの制御は通常のマニピ
ユレータと同一である。の区間においては初期
位置からで与える角度、角速度を目標値とする
制御を行う。またの区間においては目標位置に
おいてφ〓=Oを目標値とする制御を行う。
以上のアルゴリズムによりマニピユレータの関
節角qを任意の初期位置から任意の目標位置まで
動かすことができる。
[発明の効果] この発明では関節で連続したリンクを有するマ
ニピユレータにおいて、関節間の動力学的干渉を
利用してアクチユエータを有する関節のトルクに
よつてアクチユエータを有しない関節に角加速度
を発生させて角度を制御するので、アクチユエー
タを有しない関節を伝達機構を要せず駆動するこ
とができ、マニピユレータ関節のアクチユエータ
数を減すことができる。したがつてマニピユレー
タの構造が簡単になり小型化、省エネルギー化を
図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明のマニピユレータを示す正面
説明図、第2図はマニピユレータの運動を示す説
明図、第3図は質量Mの角度線図、及び第4図は
質量Mの角速度線図である。 1……マニピユレータ、A(A1〜Ak)……アク
チユエータ、B(B1〜Bo-k)……保持ブレーキ、
C(C1〜Co)……関節。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1 n自由度のマニピユレータであつて、n個の
    関節部を有し、前記n個の関節部のうちk個の関
    節部にアクチユエータを備え、残りn−k個(k
    ≧n−k)の関節部にアクチユエータを備えず保
    持ブレーキを備えていることを特徴とするマニピ
    ユレータ。 2 n自由度のマニピユレータであつて、n個の
    関節部を有し、前記n個の関節部のうちのk個の
    関節部にアクチユエータを備え、残りn−k個
    (k≧n−k)の関節部にアクチユエータを備え
    ず保持ブレーキを備えるアニピユレータの操縦方
    法であつて、前記保持ブレーキを解放した状態で
    は関節間の動的干渉によりアクチユエータを有す
    る関節のトルクまたは力によつてアクチユエータ
    を備えない関節に角加速度または加速度を発生さ
    せて前記アクチユエータを有しない関節の角度ま
    たは変位を制御し、前記保持ブレーキを作動した
    状態ではアクチユエータを有する関節の角度また
    は変位を前記アクチユエータにより制御すること
    を特徴とするマニピユレータの制御方法。
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