JPH0584677A - Manipulator controller - Google Patents

Manipulator controller

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Publication number
JPH0584677A
JPH0584677A JP24377591A JP24377591A JPH0584677A JP H0584677 A JPH0584677 A JP H0584677A JP 24377591 A JP24377591 A JP 24377591A JP 24377591 A JP24377591 A JP 24377591A JP H0584677 A JPH0584677 A JP H0584677A
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JP
Japan
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target
joint
angle
axis
tip
Prior art date
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Pending
Application number
JP24377591A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Michihiro Uenohara
道 宏 植之原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH0584677A publication Critical patent/JPH0584677A/en
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 任意の目標位置・姿勢に対して各関節の急激
な角度変化なくして移行させることができるようにした
制御装置を得ること。 【構成】 一点で交わる3関節軸交点の目標位置を実現
する関節角度を計算する座標変換装置11と、先端3軸
の根元側のロール軸座標変換装置13と、先端3軸の2
つのロール軸の軸線が或る基準以上接近している場合
に、根元側のロール軸の目標角度を基準角度に接近する
ように修正するロール軸目標角度修正装置14と、上記
根元側のロール軸の修正目標角度に対応して上記ロール
軸以外の先端2軸の目標関節角度を算出する先端関節軸
目標角度計算部15と、各関節軸を目標関節角度に回動
制御する関節軸制御装置16とを有する。
(57) [Summary] [Purpose] To obtain a control device capable of shifting to any target position / posture without abrupt angle change of each joint. [Arrangement] A coordinate transformation device 11 for calculating a joint angle that realizes a target position of an intersection of three joint axes intersecting at one point, a roll axis coordinate transformation device 13 on the base side of the tip three axes, and two of the tip three axes.
A roll axis target angle correction device 14 for correcting the target angle of the roll axis on the root side so as to approach the reference angle when the axes of the two roll axes are closer than a certain reference, and the roll shaft on the root side. Tip joint axis target angle calculation unit 15 that calculates the target joint angles of the two tip axes other than the roll axis corresponding to the corrected target angles of the above, and the joint axis control device 16 that controls the rotation of each joint axis to the target joint angle. Have and.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、少なくとも6関節を有
し、先端の3関節軸が一点で交わるように構成されたマ
ニピュレータの制御装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a control device for a manipulator having at least 6 joints and constructed so that the three joint axes at the ends intersect at one point.

【0002】[0002]

【従来の技術】一般に、6関節軸を有し、先端の3関節
がロール・ピッチ・ロール構成でそれらの関節軸が一点
で交わるように構成されたマニピュレータが、工場内で
使用される産業用ロボットを中心として多く使われてい
る。
2. Description of the Related Art Generally, a manipulator having six joint axes, and the three joints at the tip end having a roll-pitch-roll configuration such that the joint axes intersect at one point is used for industrial purposes in a factory. It is mainly used for robots.

【0003】図7は、上記6軸多関節、先端3軸がロー
ル・ピッチ・ロール構成で3軸が一点で交わるように構
成されたマニピュレータの一例を示す図であって、基体
1には第1のリンク2の基端が水平軸(第一軸)及び垂
直軸(第二軸)回りに回動可能に連結されており、その
第1のリンク2の先端には、第2のリンク3の基端がそ
の第2のリンク3の長手方向軸線と直交する軸線(第三
軸)及び上記第2のリンク3の長手方向軸線(第四軸)
の回りにそれぞれ回動可能に連結されている。そして、
上記第2のリンク3の先端には、上記第四軸に直交する
軸線(第五軸)及びその第五軸に直交する軸線(第六
軸)回りに回動可能にハンド部4が連結されている。
FIG. 7 is a diagram showing an example of a manipulator in which the above-described 6-axis multi-joint type, the three axes at the tip end have a roll-pitch-roll configuration, and the three axes intersect at one point. The base end of the first link 2 is rotatably connected about a horizontal axis (first axis) and a vertical axis (second axis), and the second link 3 is attached to the tip of the first link 2. Of which the base end is orthogonal to the longitudinal axis of the second link 3 (third axis) and the longitudinal axis of the second link 3 (fourth axis)
Are rotatably connected to each other. And
A hand portion 4 is connected to the tip of the second link 3 so as to be rotatable around an axis line (fifth axis) orthogonal to the fourth axis and an axis line (sixth axis) orthogonal to the fifth axis. ing.

【0004】そこで、このようなマニピュレータは、6
関節を有するために、各関節における適宜回動によって
動作範囲内であれば3次元空間の任意の目標位置及び姿
勢を実現することができる。
Therefore, such a manipulator has 6
Since it has joints, it is possible to realize an arbitrary target position and posture in a three-dimensional space within the motion range by appropriately rotating each joint.

【0005】目標位置及び姿勢としては、マニピュレー
タ先端すなわちハンド部4の位置及び姿勢、或は先端3
関節軸(第四軸、第五軸、第六軸)交点の位置及び先端
姿勢を外部から指定される場合がある。しかして、この
マニピュレータの制御装置では、通常指定された目標位
置・姿勢を各関節角度に座標変換し、その後にそれらの
目標関節角度を実現するように各関節軸を制御する制御
系を構成しているが、特に後者の目標位置・姿勢の与え
方の場合には、マニピュレータを、基部側の3軸で目標
位置を、先端の3軸で目標姿勢を実現する3次元の位置
決め機構として扱われ、目標位置・姿勢から目標関節角
度への座標変換式は容易に導かれる。
As the target position and posture, the manipulator tip, that is, the position and posture of the hand portion 4, or the tip 3 is used.
The position of the intersection of the joint axes (the fourth axis, the fifth axis, the sixth axis) and the tip posture may be designated from the outside. Then, in this manipulator control device, a control system that controls the coordinate axes of the normally specified target position / orientation to each joint angle and then controls each joint axis to realize those target joint angles is constructed. However, particularly in the latter case of giving the target position / posture, the manipulator is treated as a three-dimensional positioning mechanism that realizes the target position with the three axes on the base side and the target posture with the three axes at the tip. The coordinate conversion formula from the target position / posture to the target joint angle can be easily derived.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】ところが、上述の如く
先端3関節軸がロール・ピッチ・ロール構成の場合には
任意の姿勢を実現することはできるけれども下記のよう
な問題がある。
However, as described above, when the three joint axes of the distal end have the roll-pitch-roll configuration, any posture can be realized, but there are the following problems.

【0007】すなわち、まず、2つのロール軸線が一致
する姿勢になった場合、すなわち、図7においてリンク
3の軸線とハンドの軸線が一致する場合には、ヨー方向
の姿勢変化が不可能になるという特異姿勢になることが
ある。また、2つのロール軸線が完全に一致しない場合
にはヨー方向への姿勢変化は可能であるが、微妙なヨー
方向の姿勢変化を実現するために2つのロール軸に急激
な角度変化を与えなければならないことがあり、そのよ
うな目標関節角度に正確に追従させることが制御的に実
現できない場合がある。
That is, first, when the postures of the two roll axes coincide with each other, that is, when the axes of the link 3 and the hand coincide with each other in FIG. 7, the posture change in the yaw direction becomes impossible. There may be a peculiar attitude. Further, when the two roll axes do not completely coincide with each other, it is possible to change the posture in the yaw direction, but in order to realize a subtle posture change in the yaw direction, a sharp angle change must be given to the two roll axes. In some cases, it may be impossible to controllably achieve accurate tracking of such a target joint angle.

【0008】また、ロール軸の可動範囲が±90度程度
のものの場合には、目標先端姿勢によってはロール軸の
目標関節角度が+90度から−90度へ或は−90度か
ら+90度へと不連続的に変化する不連続点が存在す
る。ロール軸の可動範囲が±90度でも任意の目標姿勢
を実現することは可能であるが、先端3軸で実現すべき
姿勢をロール・ピッチ・ロールで表現した場合に、ピッ
チ角度が0度の前後でロール軸の目標関節角度が不連続
的に変化する。
When the movable range of the roll axis is about ± 90 degrees, the target joint angle of the roll axis may change from +90 degrees to -90 degrees or from -90 degrees to +90 degrees depending on the target tip posture. There are discontinuities that change discontinuously. It is possible to achieve an arbitrary target posture even if the roll axis movable range is ± 90 degrees, but when the posture to be realized by the tip 3 axes is expressed by roll, pitch, and roll, the pitch angle is 0 degree. The target joint angle of the roll axis changes discontinuously before and after.

【0009】このような特異姿勢或は不連続点はいずれ
も目標関節角度への移行中に急激な角度変化を引き起こ
すために好ましくなく、実際の運用においてはこれらの
特異姿勢・不連続領域を使用しないようなロボットの動
きをさせることによって回避しているが、ロボットの動
きが大きくなる場合には途中でこのような特異姿勢・不
連続領域に接近しないようなロボットの動きを決定する
にはかなりの注意が必要で、場合によっては試行錯誤を
繰り返さなければならない等の問題がある。
Any of these peculiar postures or discontinuities are not preferable because they cause a sudden angle change during the transition to the target joint angle. In actual operation, these peculiar postures / discontinuities are used. This is avoided by making the robot move so that it does not move, but when the robot's movement becomes large, it is quite necessary to determine the robot's movement that does not approach such a peculiar posture / discontinuous area on the way. However, there is a problem that trial and error must be repeated in some cases.

【0010】近年、ロボットの動作教示に計算機を使用
するオフラインティーチングシステムが広まりつつあ
り、ロボットの動作軌道を自動的に計算する軌道生成機
能を部分的に備えるものも増加しつつあるが、軌道の自
動計算を実現する際に、上記特異姿勢・不連続領域に接
近しない軌道を確実に作成することは不可能ではない
が、それでなくても多大な計算量を必要とする軌道生成
の負荷をさらに増大することとなり、ロボットの教示自
動化を難しくする原因ともなる等の問題がある。
In recent years, an offline teaching system that uses a computer to teach movements of a robot has become widespread, and the number of those partially having a trajectory generation function for automatically calculating the movement trajectory of a robot is increasing. When realizing automatic calculation, it is not impossible to reliably create a trajectory that does not approach the singular posture / discontinuity region, but even if this is not done, the load of trajectory generation that requires a large amount of calculation will be further increased. Therefore, there is a problem that the number of robots increases, which makes it difficult to automate the teaching of the robot.

【0011】本発明はこのような点に鑑み、マニピュレ
ータの可動範囲内であれば、任意の目標位置・姿勢に対
して各関節の急激な角度変化なくして移行させることが
できる各関節の目標関節角度を算出する座標変換装置を
設けたマニピュレータの制御装置を得ることを目的とす
る。
In view of such a point, the present invention allows a target joint of each joint to be moved to any target position / posture without abrupt angle change of the joint within the movable range of the manipulator. An object of the present invention is to obtain a control device for a manipulator provided with a coordinate conversion device that calculates an angle.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】第1の発明は、少なくと
も6関節を有し、先端の3関節がロール・ピッチ・ロー
ル構成でそれらの関節軸が一点で交わるようにしたマニ
ピュレータにおける、上記3関節軸の交点の3次元位置
及び先端姿勢を目標値に制御するマニピュレータ制御装
置において、上記一点で交わる3関節軸交点の目標位置
を実現する関節角度を計算する座標変換装置と、先端3
軸の根元側のロール軸座標変換装置と、先端3軸の2つ
のロール軸の軸線が或る基準以上接近している場合に、
2つのロール軸の軸線方向の差となるピッチ軸の関節角
度の値に従って、根元側のロール軸の目標角度を基準角
度に接近するするように修正するロール軸目標角度修正
装置と、上記根元側のロール軸の修正目標角度に対応し
てマニピュレータ先端部の目標姿勢を実現するように上
記ロール軸以外の先端2軸の目標関節角度を算出する先
端関節軸目標角度計算部と、各関節軸を目標関節角度に
回動制御する関節軸制御装置とを有することを特徴とす
る。
A first aspect of the present invention is a manipulator having at least 6 joints, wherein the 3 joints at the distal ends have a roll-pitch-roll configuration such that their joint axes intersect at a single point. A manipulator control device for controlling a three-dimensional position of an intersection of joint axes and a tip posture to target values, a coordinate conversion device for calculating a joint angle that realizes a target position of an intersection of three joint axes intersecting at one point, and a tip 3
When the roll axis coordinate conversion device on the base side of the axis and the axis lines of the two roll axes of the three tip axes are close to each other by a certain reference or more,
A roll axis target angle correction device that corrects the target angle of the roll axis on the root side so as to approach the reference angle according to the value of the joint angle of the pitch axis that is the difference between the two roll axes in the axial direction, and the root side. The target joint angle target angle calculation unit for calculating the target joint angles of the two front end axes other than the roll shaft so as to realize the target posture of the manipulator front end portion corresponding to the corrected target angle of the roll axis And a joint axis control device for controlling rotation to a target joint angle.

【0013】また、第2の発明は、7関節を有し、先端
の3関節がロール・ピッチ・ロールの構成でそれらの関
節軸が一点で交わるようにしたマニピュレータの制御装
置において、上記一点で交わる関節軸交点の目標位置を
実現する関節角度を計算する座標変換装置が、先端3関
節で実現している姿勢をロール・ピッチ・ヨーで表現し
たときのピッチの角度がO度の近傍に限って、上記目標
位置を実現しつつ、先端3関節軸交点でのリンク先端方
向と目標先端方向ができるだけ等しくなるような目標関
節角度を算出するようにしたことを特徴とする。
A second aspect of the present invention is a control device for a manipulator, which has seven joints, and the three joints at the tips have a roll-pitch-roll configuration so that their joint axes intersect at one point. The coordinate conversion device that calculates the joint angle that realizes the target position of the intersecting joint axis intersection is limited to the case where the posture realized by the three tip joints is expressed in roll, pitch, and yaw, and the pitch angle is in the vicinity of O degrees. Then, the target joint angle is calculated such that the link tip direction and the target tip direction at the intersection point of the three tip joint axes are as equal as possible while realizing the target position.

【0014】[0014]

【作用】第1の発明によれば、先端3軸の2つのロール
軸の軸線が基準以上接近している場合には、2つのロー
ル軸の軸線方向の差となるピッチ軸の関節角度の値に従
って根元側のロール軸の目標角度を基準角度に接近する
ように修正し、その修正したロール軸の目標角度に対応
してヨー方向を除く他の2方向の目標姿勢を実現する先
端2軸の目標関節角度を算出するため、たとえ先端の2
つのロール軸の軸線が一致する特異姿勢近傍状態にある
とき、目標姿勢がヨー方向に多少変化したとしても、先
端3軸の中の根元側のロール軸の目標関節角度は基準角
度近傍から急激には変化せず、また先端2軸の目標関節
角度の値は目標姿勢の値の変化に対して急激に変化する
ことがなく、先端3軸の角度が急激に変化することがな
い。
According to the first aspect of the invention, when the axes of the two roll axes of the three tip axes are close to each other by a reference amount or more, the value of the joint angle of the pitch axis which is the difference in the axial direction of the two roll axes. According to the above, the target angle of the roll axis on the root side is corrected so as to approach the reference angle, and corresponding to the corrected target angle of the roll axis, the other two target directions other than the yaw direction are realized. In order to calculate the target joint angle,
Even if the target posture changes slightly in the yaw direction when the axes of the two roll axes match, even if the target posture changes slightly in the yaw direction, the target joint angle of the roll axis on the root side of the three tip axes rapidly increases from the vicinity of the reference angle. Does not change, the value of the target joint angle of the distal two axes does not change rapidly with respect to the change of the value of the target posture, and the angle of the distal three axes does not change rapidly.

【0015】また、第2の発明によれば、目標ピッチ角
度が或る基準角度例えば10度以下になった場合には、
マニピュレータの冗長自由度を利用して、目標位置を実
現しながら先端3関節軸の交点での先端方向姿勢を先端
目標姿勢に一致させることによって、目標姿勢を実現す
るために先端3軸全てを使用する必要がなくなる。つま
り、先端3軸の中の根元側ロール軸の関節角度を基準角
度に一定に保っても先端姿勢を実現することができる。
According to the second invention, when the target pitch angle becomes a certain reference angle, for example, 10 degrees or less,
By using the redundant degrees of freedom of the manipulator, while achieving the target position, the tip-direction posture at the intersection of the three tip joint axes is made to coincide with the tip target posture, so that all three tip axes are used to achieve the target posture. There is no need to do it. In other words, the tip posture can be realized even if the joint angle of the root-side roll axis in the three tip axes is kept constant at the reference angle.

【0016】さらに、第1の発明と第2の発明とを組み
合わせることによって、ロール軸の可動範囲が±90度
程度のマニピュレータにおいても、ロール軸の目標関節
角度を不連続に変化させることはなく、任意の目標姿勢
を実現することができる。
Further, by combining the first invention and the second invention, the target joint angle of the roll shaft is not discontinuously changed even in the manipulator having the movable range of the roll shaft of about ± 90 degrees. , Any desired posture can be realized.

【0017】[0017]

【実施例】図1は、図7で示したマニピュレータの制御
装置を示すブロック図であって、マニピュレータの先端
すなわちハンド部の目標位置が外部から与えられると、
マニピュレータの先端3関節軸の交点の目標位置が、1
〜3軸座標変換装置11に入力され、そこでその目標位
置及び現在の関節角度をもとに1〜3軸の目標関節角度
への座標変換が行なわれる。
FIG. 1 is a block diagram showing a control device for the manipulator shown in FIG. 7. When the tip of the manipulator, that is, the target position of the hand portion is given from the outside,
The target position at the intersection of the three joint axes of the manipulator is 1
The coordinates are converted into the target joint angles of the first to third axes based on the target position and the current joint angle.

【0018】一方、マニピュレータ先端の目標姿勢は先
端3関節目標角度変換装置12の4軸座標変換装置13
に入力され、そこで現在の関節角度等をもとに解析的に
目標姿勢を正確に実現するための第4軸の目標関節角度
が算出される。そして、その算出結果は4軸目標角度修
正部14に入力される。
On the other hand, the target posture of the tip of the manipulator is the 4-axis coordinate transformation device 13 of the tip 3 joint target angle transformation device 12.
And the target joint angle of the fourth axis for accurately realizing the target posture analytically is calculated based on the current joint angle and the like. Then, the calculation result is input to the 4-axis target angle correction unit 14.

【0019】上記4軸目標角度修正部14では現在の第
5軸の関節角度が所定基準値△以下、例えば3度以下か
どうかが判断され、第5軸の関節角度の絶対値が上記基
準値以下の場合には、4軸座標変換装置13ですでに算
出されている第4軸の目標関節角度をそのままの値で出
力する。
The 4-axis target angle correction unit 14 determines whether the current joint angle of the fifth axis is below a predetermined reference value Δ, for example, 3 degrees or less, and the absolute value of the joint angle of the fifth axis is above the reference value. In the following cases, the target joint angle of the fourth axis already calculated by the four-axis coordinate conversion device 13 is output as it is.

【0020】一方、第5軸の関節角度の絶対値が上記基
準値△未満の場合には、4軸座標変換装置13で算出さ
れた第4軸の目標関節角度の値が下記の計算式に従って
修正される。
On the other hand, when the absolute value of the joint angle of the fifth axis is less than the reference value Δ, the value of the target joint angle of the fourth axis calculated by the four-axis coordinate conversion device 13 is calculated according to the following formula. Will be fixed.

【0021】 θdn4 =θd4×gain 2 (1) gain =sin(|θ5 |×π/(△・2)) θd4 :4軸座標変換装置で算出された第4軸目標関節
角度 θ5 :第5軸関節角度 △ :4軸目標角度修正部で修正するか否かの判定を
行なう基準角度 θdn4 :4軸目標角度修正部の出力となる修正第4軸目
標角度 (1)式により、5軸の関節角度の絶対値が基準値△付
近では、4軸の目標角度は目標姿勢→4軸座標変換装置
3で算出された値とほとんど等しく、特異姿勢であるθ
5 =0度付近に近づくにつれて4軸目標角度の値が0度
に近づく。θ5 =0度付近では、(1)式のθd4の値に
かかわらずθdn4 の値はほとんど0度になるので、たと
え目標姿勢のヨー角度の値が多少変動したためにθd4
値が急激に変化することがあったとしてもθdn4 の値は
ほとんど変化しない。また、特異姿勢付近では4軸の角
度変化に対する先端姿勢のヨー角度の感度が小さくな
り、特に、特異姿勢であるθ5 =0度では、4軸の角度
をいくらにしてもヨー角度は0度のまま全く変化しなく
なる。従って、(1)式のように4軸目標角度の値を修
正しても先端姿勢の変化は小さい。
Θ dn4 = θ d4 × g ain 2 (1) gain = sin (| θ 5 | × π / (Δ · 2)) θ d4 : Fourth axis target joint angle calculated by the four-axis coordinate conversion device θ 5 : Joint angle of the 5th axis Δ: Reference angle for determining whether or not to correct by the 4th axis target angle correction section θ dn4 : Modified 4th axis target angle that is the output of the 4th axis target angle correction section (1) According to the equation, when the absolute value of the joint angle of the 5th axis is near the reference value Δ, the target angle of the 4th axis is almost equal to the value calculated by the target posture → the 4th axis coordinate conversion device 3, and is a peculiar posture θ.
The value of the 4-axis target angle approaches 0 degrees as it approaches 5 = 0 degrees. In the vicinity of θ 5 = 0 degree, the value of θ dn4 becomes almost 0 degree regardless of the value of θ d4 in the equation (1). Therefore, even if the value of the yaw angle of the target posture fluctuates a little, the value of θ d4 becomes The value of θ dn4 hardly changes even if it changes abruptly. In addition, the sensitivity of the yaw angle of the tip posture to the angle change of the four axes becomes small in the vicinity of the singular posture, and in particular, in the peculiar posture of θ 5 = 0 degree, the yaw angle becomes 0 degree regardless of the angle of the four axes. It will not change at all. Therefore, even if the value of the four-axis target angle is corrected as in the equation (1), the change in the tip posture is small.

【0022】前記4軸座標変換装置13で算出された第
4軸目標関節角度θd4或は上記修正された修正値θdn4
は5、6軸目標関節角度計算部15に入力され、そこで
上記入力値、目標姿勢のうち残りのロール・ピッチの値
及びマニピュレータ各関節角度の値等によって解析的に
第5軸、第6軸の目標関節角度を算出し、第4軸の目標
関節角度及び1〜3軸座標変換装置11で算出される第
1〜3軸の目標関節角度とともに、1〜6軸制御装置1
6に入力し、各関節の関節角度が目標角度に追従するよ
うに各関節を制御する。
The fourth axis target joint angle θ d4 calculated by the four-axis coordinate conversion device 13 or the corrected correction value θ dn4.
Are input to the 5th and 6th axis target joint angle calculation unit 15, where the 5th axis and the 6th axis are analytically analyzed based on the above input values, the remaining roll pitch values of the target postures, the respective joint angle values of the manipulator, and the like. The target joint angle of the fourth axis and the target joint angle of the first to third axes calculated by the first to third axis coordinate conversion device 11, and the first to sixth axis control device 1
6, and controls each joint so that the joint angle of each joint follows the target angle.

【0023】このようにして、マニピュレータの全ての
関節が急激に変化することもなく、目標位置・姿勢をほ
ぼ実現することができる。
In this way, all the joints of the manipulator do not suddenly change, and the target position / posture can be almost achieved.

【0024】図2、図3、図4は本発明により生成され
る第4軸、第5軸、第6軸の目標関節角度変化及び目標
姿勢から正確に解析的に第4軸、第5軸、第6軸の目標
関節角度を算出した結果を比較したものである。すなわ
ち、上記各図はマニピュレータ先端目標の姿勢の中で、
ロール、ヨー方向の姿勢を一定にしながらピッチ方向の
姿勢のみを−10°から10°まで変化させたときの、
本発明により算出した関節目標角度の値Aと通常の解析
的な計算で算出した値Bとの比較をした図である。
2, 3 and 4 show the fourth and fifth axes accurately and analytically based on the desired joint angle changes and the desired postures of the fourth, fifth and sixth axes generated by the present invention. , Is a comparison of the results of calculating the target joint angle of the sixth axis. That is, each of the above figures is in the posture of the manipulator tip target,
When changing only the pitch direction attitude from -10 ° to 10 ° while keeping the roll and yaw attitudes constant,
It is the figure which compared the value A of the joint target angle calculated by this invention, and the value B calculated by the usual analytical calculation.

【0025】また、図5は2つの方法により計算された
第4、第5、第6軸の目標関節角度により実現される先
端のヨー方向の姿勢の変化を示したものである。マニピ
ュレータは6軸多関節、先端3軸はロール・ピッチ・ロ
ール構成で一点で交わるものとする。4、6軸の可動範
囲は±180度とする。
FIG. 5 shows changes in the posture of the tip in the yaw direction realized by the target joint angles of the fourth, fifth and sixth axes calculated by the two methods. It is assumed that the manipulator has 6-axis articulation and the 3 axes at the tip end have a roll-pitch-roll configuration and intersect at one point. The movable range of the 4th and 6th axes is ± 180 degrees.

【0026】計算条件は、マニピュレータの1、2、3
軸関節角度は0度で一定。目標姿勢の中のロール軸の角
度=0度、ヨー=1度で固定、ピッチを−10度から1
0度まで変化させている。
The calculation conditions are 1, 2, 3 of the manipulator.
Axial joint angle is constant at 0 degree. The angle of the roll axis in the target posture is fixed at 0 degrees and yaw = 1 degree, and the pitch is changed from -10 degrees to 1
It is changed to 0 degrees.

【0027】図をみるとわかるように、ピッチが0度付
近でヨー方向に誤差を生じるものの、第4軸、第6軸の
角度変化量が解析的に算出した場合に比べてかなり小さ
くなっているのがわかる。関節の目標角度変化が急激な
場合、マニピュレータのアクチュエータ性能などによっ
ては実際のマニピュレータの動きが目標角度の変化に正
確に追従できなくなる場合もあるので、アクチュエータ
・コントローラ性能によっては実際のマニピュレータの
先端姿勢の目標値からの誤差は本発明の方が解析的に算
出した場合よりも小さくなることもある。また、マニピ
ュレータが7関節以上有し、先端3関節のロール・ピッ
チ・ロール構成で、目標位置を根元側4関節で実現し、
目標姿勢を先端3関節で実現するような場合には、特異
姿勢付近での先端ヨー方向姿勢を根元側4関節で実現す
ることにより、先端姿勢の誤差もなくすことが可能であ
る。
As can be seen from the figure, although an error occurs in the yaw direction when the pitch is near 0 degrees, the amount of change in the angles of the fourth axis and the sixth axis is considerably smaller than that calculated analytically. I can see it. If the target angle change of the joint is rapid, the actual manipulator movement may not be able to accurately follow the change in the target angle depending on the actuator performance of the manipulator.Therefore, depending on the actuator controller performance, the actual tip position of the manipulator may change. The error from the target value of 1 may be smaller in the present invention than in the case of being calculated analytically. In addition, the manipulator has 7 or more joints, and the tip, 3 joints are roll-pitch-roll configuration, and the target position is realized by 4 joints on the root side.
In the case where the target posture is realized by the three tip joints, the tip yaw direction posture near the peculiar posture is realized by the four joints on the root side, so that it is possible to eliminate the error in the tip posture.

【0028】図7は、第2の発明のマニピュレータ制御
装置を示すブロック図であり、マニピュレータが7関節
を有するものに適用するものである。
FIG. 7 is a block diagram showing a manipulator control device of the second invention, which is applied to a manipulator having seven joints.

【0029】図7において、外部から与えられたマニピ
ュレータの先端3関節軸の交点の目標位置は、1〜4軸
座標変換装置20に入力され、マニピュレータ先端の目
標姿勢は先端3関節目標角度変換装置21に入力され
る。
In FIG. 7, the target position of the intersection of the three joint axes of the tip of the manipulator, which is given from the outside, is input to the coordinate conversion device 20 for the first to fourth axes, and the target posture of the tip of the manipulator is the target angle conversion device for the three tip joints. 21 is input.

【0030】1〜4軸座標変換装置20では、まず先端
3関節軸の現在の関節角度から先端3関節のみで実現さ
れている姿勢を算出し、そのピッチ方向角度の値が基準
値△(例えば10度)以下である場合には、座標変換に
際して、目標位置を実現するだけでは4関節の関節角度
に−自由度残ることを利用して、目標位置を満たしなが
ら先端3関節軸交点でのリンク先端方向姿勢と目標先端
姿勢ができるだけ等しくなるような目標関節角度を算出
するようにしてある。
In the 1- to 4-axis coordinate conversion device 20, first, the posture realized by only the three distal end joints is calculated from the current joint angles of the distal end three joint axes, and the value of the pitch direction angle is a reference value Δ (eg, If it is less than 10 degrees), when the coordinate conversion is performed, by utilizing the fact that only the target position is realized, the degree of freedom remains in the joint angles of the four joints, and the link is established at the intersection of the tip three joint axes while satisfying the target position. The target joint angle is calculated so that the tip direction posture and the target tip posture are as equal as possible.

【0031】すなわち、1〜4軸座標変換装置20での
計算は以下のように行なわれる。
That is, the calculation in the 1- to 4-axis coordinate conversion device 20 is performed as follows.

【0032】今、マニピュレータの先端3軸交点位置を
x、関節軸ベクトルをθ、としたときに、xとθの間の
関係は以下のように表現することができる。
Now, where x is the position of the intersection of the three axes of the manipulator and θ is the joint axis vector, the relationship between x and θ can be expressed as follows.

【0033】 x=f(θ)=(f1,f2,f3)t (2) すると、xの微小変化△xと関節角度の微小変化△θの
間には以下の関係が成り立つ。
X = f (θ) = (f1, f2, f3) t (2) Then, the following relationship is established between the small change Δx in x and the small change Δθ in the joint angle.

【0034】[0034]

【数1】 J(θ)はヤコビアン行列と呼ばれる。(3)式の△x
と△θの関係を逆にすると以下の式により△xを与えた
ときの△θの値を計算することができる。
[Equation 1] J (θ) is called the Jacobian matrix. Δx in equation (3)
By reversing the relationship between Δθ and Δθ, the value of Δθ can be calculated when Δx is given by the following formula.

【0035】[0035]

【数2】 従って、(2)式により現在の関節角度から現在の先端
3関節軸交点を算出、先端3関節軸交点の目標位置との
差をとり△xを求め、(4)式の計算を行ない、現在の
関節角度に(4)式で算出された△θの値を加算するこ
とにより目標関節角度が求まる。△xの値が大きくなる
と、(4)式は正確には成り立たなくなるが、マニピュ
レータの制御装置においては、数msec から数10mse
c という短い周期で繰り返しこの計算を行なうので問題
はない。
[Equation 2] Therefore, the current tip angle of the three joint axes is calculated from the current joint angle by the equation (2), the difference from the target position of the tip three joint axis intersection is calculated to obtain Δx, and the equation (4) is calculated. The target joint angle is obtained by adding the value of Δθ calculated by the equation (4) to the joint angle of. When the value of Δx becomes large, the equation (4) cannot be accurately established, but in the manipulator control device, it is several msec to several tens mse.
There is no problem because this calculation is repeated in a short cycle of c.

【0036】また、(4)式におけるkの値は、先端3
関節軸の現在の関節角度から、先端3関節のみで実現さ
れている姿勢を算出、そのピッチ軸方向角度の値が基準
値△(例えば10度)以上である場合には、例えば
(4)式のkベクトルの値を0にして計算すればよい。
ピッチ軸方向角度の値が基準値△未満の場合には、kベ
クトルを以下のようにして算出することにより目標位置
を満たしながら先端3関節軸交点でのリンク先端方向姿
勢と目標先端姿勢ができるだけ等しくなるような目標関
節角度を算出することができる。 1) 与えられた先端目標姿勢の値から、マニピュレー
タ先端での先端方向単位ベクトルp=(p1 ,p2 ,p
3 )を算出する。 2) マニピュレータ先端3軸の交点での先端方向単位
ベクトルを第1〜第4軸の関節角度θiで表したものを
q(θ1,θ2,θ3,θ4)=(q1 ,q2 ,q3
としたときに、
Further, the value of k in the equation (4) is the tip 3
From the current joint angle of the joint axis, the posture realized by only the three front end joints is calculated. When the value of the pitch axis direction angle is equal to or greater than the reference value Δ (for example, 10 degrees), the formula (4) is used, for example. The value of the k vector may be set to 0 for calculation.
If the value of the angle in the pitch axis direction is less than the reference value Δ, the link vector tip direction attitude and the target tip attitude at the tip 3 joint axis intersection point are achieved as much as possible by calculating the k vector as follows. Target joint angles that are equal can be calculated. 1) From the given value of the target tip posture, the tip direction unit vector p = (p 1 , p 2 , p at the tip of the manipulator
3 ) is calculated. 2) manipulator tip 3 what a distal direction unit vector at the intersection of the axis represented by the first through fourth axis of articulation angle θi q (θ1, θ2, θ3 , θ4) = (q 1, q 2, q 3 )
And when

【0037】[0037]

【数3】 のようにしてkベクトルを求める。ただし、Lは、マニ
ピュレータ先端での先端方向単位ベクトルpとマニピュ
レータ先端3軸の交点での先端方向単位ベクトルqとの
距離であり、 L=(p1 −q1 2 +(p2 −q2 2 +(p3 −q3 2 (6) のように表わされる。
[Equation 3] Then, the k vector is obtained. However, L is the distance between the tip direction unit vector p at the tip of the manipulator and the tip direction unit vector q at the intersection of the three axes of the tip of the manipulator, and L = (p 1 −q 1 ) 2 + (p 2 −q 2 ) 2 + (p 3 −q 3 ) 2 (6)

【0038】しかして、(5)式により算出されたkベ
クトルを用いて(4)式を計算し、1〜4軸の目標関節
角度を計算することにより、目標位置を満たしながらL
ができるだけ小さくなる目標関節角度、つまりマニピュ
レータ先端方向とマニピュレータ先端3軸の交点での先
端方向ができるだけ一致するように目標関節角度が算出
される。
Therefore, by calculating the equation (4) using the k vector calculated by the equation (5) and calculating the target joint angles of the 1st to 4th axes, L is satisfied while satisfying the target position.
Is calculated as small as possible, that is, the target joint angle is calculated so that the tip direction of the manipulator and the tip direction at the intersection of the three axes of the manipulator match as much as possible.

【0039】一方、先端3関節目標角度への変換装置2
1では、第1の発明と同様の処理により第5〜7軸の目
標関節角度を算出する。ただし、本実施例では、先端3
関節軸交点でのリンク先端方向姿勢と目標先端姿勢がほ
ぼ等しくなるように制御されるので、外部から与えられ
る目標姿勢の値にかかわらず、5〜7軸で実現すべき姿
勢変化のヨー方向成分はほぼ0となっており、第1実施
例のような目標先端姿勢との誤差は生じない。また、目
標位置→1〜4軸座標変換装置20及び先端3関節目標
角度への変換装置21で算出された1〜7軸の目標関節
角度の値は1〜7軸制御装置25に入力され、各関節の
関節角度が目標関節角度に追従するように各関節が制御
される。このようにして、マニピュレータの全ての関節
が急激に変化することもなく目標位置姿勢を実現するこ
とができる。
On the other hand, the conversion device 2 for converting the target angles of the three joints of the distal end
In 1, the target joint angles of the 5th to 7th axes are calculated by the same processing as in the first invention. However, in this embodiment, the tip 3
Since the attitude of the link tip direction at the intersection of the joint axes and the desired tip attitude are controlled so as to be almost equal, the yaw direction component of the attitude change to be realized in the 5 to 7 axes, regardless of the value of the target attitude given from the outside. Is almost 0, and there is no error from the target tip posture as in the first embodiment. Further, the values of the target joint angles of the 1st to 7th axes calculated by the target position → the 1st to 4th axes coordinate conversion device 20 and the conversion device 21 to the tip 3 joints target angles are input to the 1st to 7th axes control device 25, Each joint is controlled so that the joint angle of each joint follows the target joint angle. In this way, the target position / posture can be realized without sudden changes in all the joints of the manipulator.

【0040】[0040]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、先端3関
節軸の2つのロール軸が一致する特異姿勢や、先端3軸
で実現すべき姿勢をロール・ピッチ・ロールで表現した
場合に、ピッチ角度が0度付近でロール軸の目標関節角
度が急激に変化することなしに、連続な目標位置・姿勢
に対して急激に変化しない連続的な目標関節角度を算出
することができる。
As described above, according to the present invention, when the peculiar posture in which the two roll axes of the three joint axes of the tip end coincide with each other, or the posture to be realized by the three tip axes is expressed by roll, pitch, and roll. It is possible to calculate a continuous target joint angle that does not change abruptly with respect to a continuous target position / orientation, without the target joint angle of the roll axis changing abruptly when the pitch angle is near 0 degrees.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】第1の発明におけるマニピュレータ制御装置の
ブロック図
FIG. 1 is a block diagram of a manipulator control device according to a first invention.

【図2】本発明と通常の解析的計算による第4軸の目標
関節角度の比較を示す図
FIG. 2 is a diagram showing a comparison between a target joint angle of a fourth axis according to the present invention and a usual analytical calculation.

【図3】本発明と通常の解析的計算による第5軸の目標
関節角度の比較を示す図
FIG. 3 is a diagram showing a comparison between a target joint angle of a fifth axis according to the present invention and a usual analytical calculation.

【図4】本発明と通常の解析的計算による第6軸の目標
関節角度の比較を示す図
FIG. 4 is a diagram showing a comparison of the target joint angle of the sixth axis by the present invention and ordinary analytical calculation.

【図5】本発明により計算された目標関節角度による先
端ヨー方向姿勢変化を示す図
FIG. 5 is a diagram showing a posture change in the tip yaw direction according to a target joint angle calculated according to the present invention.

【図6】第2の発明におけるマニピュレータ制御装置の
ブロック図
FIG. 6 is a block diagram of a manipulator control device according to a second invention.

【図7】6軸多関節、先端3軸がロール・ピッチ・ロー
ル構成で3軸が一点で交わるようにしたマニピュレータ
の概略構成を示す図。
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a manipulator having a 6-axis multi-joint structure, the tip 3 axes being a roll / pitch / roll configuration so that the 3 axes intersect at one point.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11 1〜3軸座標変換装置 12 先端3関節目標角度変換装置 13 4軸座標変換装置 14 4軸目標角度修正部 15 5,6軸目標関節角度計算部 16 1〜6軸制御装置 20 1〜4軸座標変換装置 21 先端3関節目標角度変換装置。 11 1 to 3 axis coordinate conversion device 12 tip 3 joint target angle conversion device 13 4 axis coordinate conversion device 14 4 axis target angle correction unit 15 5, 6 axis target joint angle calculation unit 16 1 to 6 axis control device 20 1 to 4 Axial coordinate converter 21 Target 3 joint target angle converter.

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】少なくとも6関節を有し、先端の3関節が
ロール・ピッチ・ロール構成でそれらの関節軸が一点で
交わるようにしたマニピュレータにおける、上記3関節
軸の交点の3次元位置及び先端姿勢を目標値に制御する
マニピュレータ制御装置において、上記一点で交わる3
関節軸交点の目標位置を実現する関節角度を計算する座
標変換装置と、先端3軸の根元側のロール軸座標変換装
置と、先端3軸の2つのロール軸の軸線が或る基準以上
接近している場合に、2つのロール軸の軸線方向の差と
なるピッチ軸の関節角度の値に従って、根元側のロール
軸の目標角度を基準角度に接近するするように修正する
ロール軸目標角度修正装置と、上記根元側のロール軸の
修正目標角度に対応してマニピュレータ先端部の目標姿
勢を実現するように上記ロール軸以外の先端2軸の目標
関節角度を算出する先端関節軸目標角度計算部と、各関
節軸を目標関節角度に回動制御する関節軸制御装置とを
有することを特徴とする、マニピュレータ制御装置。
1. A three-dimensional position and a tip of an intersection of the three joint axes in a manipulator having at least six joints, and the three joints at the tip have a roll-pitch-roll configuration such that the joint axes intersect at one point. In the manipulator control device for controlling the posture to the target value, the intersection 3
The coordinate conversion device that calculates the joint angle that achieves the target position of the joint axis intersection point, the roll axis coordinate conversion device on the root side of the three tip axes, and the axis lines of the two roll axes of the three tip axes come closer than a certain standard. In this case, the roll axis target angle correction device that corrects the target angle of the roll axis on the root side so as to approach the reference angle according to the value of the joint angle of the pitch axis that is the difference between the two roll axes in the axial direction. And a tip joint axis target angle calculation unit that calculates a target joint angle of the two tip axes other than the roll axis so as to realize the target posture of the manipulator tip portion corresponding to the corrected target angle of the roll axis on the root side. , And a joint axis control device for controlling rotation of each joint shaft to a target joint angle, a manipulator control device.
【請求項2】7関節を有し、先端の3関節がロール・ピ
ッチ・ロールの構成でそれらの関節軸が一点で交わるよ
うにしたマニピュレータの制御装置において、上記一点
で交わる関節軸交点の目標位置を実現する関節角度を計
算する座標変換装置が、先端3関節で実現している姿勢
をロール・ピッチ・ヨーで表現したときのピッチの角度
がO度の近傍にある場合に限って、上記目標位置を実現
しつつ、先端3関節軸交点でのリンク先端方向と目標先
端方向ができるだけ等しくなるような目標関節角度を算
出するようにしたことを特徴とする、マニピュレータ制
御装置。
2. A manipulator control device having 7 joints, wherein the 3 joints at the tip end have a roll-pitch-roll configuration such that their joint axes intersect at one point. Only when the coordinate conversion device that calculates the joint angle that realizes the position expresses the posture realized by the three distal end joints by roll, pitch, and yaw, is the pitch angle near O degrees? A manipulator control device, characterized in that a target joint angle is calculated such that the link tip direction and the target tip direction at the intersection points of the three joint axes are as equal as possible while realizing the target position.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116277010A (en) * 2023-03-28 2023-06-23 杭州唯精医疗机器人有限公司 Robot motion control method, electronic device and computer readable storage medium

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