JPH01252389A - マニピュレータ及びその制御方法 - 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】 Ｅ産業上の利用分野１ この発明はｎ自由度のマニピュレータアームの位置制御
をするだめの技術に関するものである。

人聞の手作業代行のため、多自由度のリンクからなるア
ームを有するロボットが［７１発され、人間の行う巧み
な動作を実現するため、位置制御が１ｊ４＾われている
。

［従来の技術］ マニピュレータの最も基本的なハードウェア上の構成は
、リンク機構の各関節に対しその関節を駆動する１個の
アクチュエータとその関節の回転マニピュレータは通常
各関節ぐ実ｔｆ的に独立の位置決め能力を持ら、マニピ
ュレータの自由１衰と７クチユエータの個数は一致する
。自由度の数に比べて、アクブ」■−タの数を減すこと
を目的としＣアクチュエータ数より多い自由度を制御り
゛る種々のｆ法が提案されているが、差動機構と対鍮物
の拘束による方法や、関節間に０Ｊ力伝達機構を設ける
方法等、機構に依存するｂ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ュレー
タの構造を複雑にし、これにともなって、１ｌｌｌｉ格
が高価になりかつマニピュレータのΦｍを大きくするの
で、大きな駆動１ネルギーを必要とりる。

このようなことからマニピュレータ関節のアクチュエー
タ類を減少さけ、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ｎｌ能であり、アクチュエー
タの小型化、省１ネルギー化を可能とｔ、Ｈニビ・レー
タ及びその制御す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、この発明のマニピュレータｔユ、
ｎ自由度のマニピュレータであって、ｎ個の関節部を有
し、前配置個の関節部のうちのｋ個の関節部にアクチュ
エータを備え、残りｎ−に個（ｋ≧ｎ−ｋ）の関節部に
保持ブレーキを備えていることを特徴としている。

また、この発明のマニピュレータの制御７Ｊ法は、ｎ自
由度のマニピュレータであって、ｎ個の関節部を有し、
前記ｎ個の関節部のうちのに個の関節部にアクチュエー
タを備え、残りｎ−に個（ｋ≧ｎ−ｋ）の関節部に保持
プレー４二を備えるマニピュレータの操縦方法であって
、前記保持ブレーキを解放した状態では関節間の動的干
渉によりアクチュエータを有する関節の１〜ルクまたは
力によって関節を有しない、蕾に角加速度また１ま加速
度を発生させて前記アクチュエータを有しない関節の角
度また１ｉ変位をＭ　ｆｉｌｌ　Ｌ、、前記保持ブレー
キを作動した状態ではアクチュエータを右する関節の角
度または変位を前記アクチ１■−タにより制ａｌｌする
ことを特徴としている。

１作用１ この発明のマニピュレータ及びマニピュレータの制御り
法では、ｋ個のアクチュエータのトルクによって保持プ
レー４を解放した状態で保持ブレーキのみの（ｎ−ｋ）
個の関節を含むに個の関節の角度を制御し、保持ブレー
キを駆動さＵた状態で残りの（ｎ−ｋ　）個の関節の角
度を制御し、これによってマニピ」レータのｆ先を（ｆ
怠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。

形性・干渉性は各関節上に構成された１ノ一ボ機構に対
して外乱としで働く。この外乱トルクを補償することが
マニピュレータの制御にお６ノる主要な問題の一つとな
っている。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って、イれ自身はトルク発生能力
を持たない１′！１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１工二りを持たない受動関節を有する
マニピュレータを、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Ｃある。

まず、原理を説明する。

第１図において、１はマニピュレータである。

マニピュレーターは複数のリンクΩ（ｆｌ、　、　Ａ２
・・・Ω　）を関節Ｃ（Ｃ４，Ｃ２・・・Ｃｏ）で連結
したｎ自由度をなしている。先端のリンクΩ。はハンド
２となっている。複数の関節Ｃ（Ｃ，〜Ｃｏ）のうち、
任意のに個の関節Ｃ（Ｃ，・・・ｃｏ−２゜Ｃ）にはア
クチュエータＡ　（Ａ、・・・Ａｊ・・・八ｋ）Ｃ（Ｃ
２・Ｃ１４１−Ｃｏ、）には保持ブレーキ−８（＋３１
・・・Ｂｏ−ｋ）が備えられている。

アクチュエータ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Ｉｆ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
、解放可能である。

ここでの制御対象をｎ自由度のマニピュレータとする。

そのうｊ５ｋ（≧ｎ／２）自由唯の関節Ｃは通常のマニ
ピュレータ同様、アクヂコ■−タΔとセン９′（図示せ
ず＞ｒ構成される能動関節とし、残りｎ−に自由度はア
クヂュ■−夕を持たず、保持ブレーキＢとセンｌｔ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」：り能動関節がＭ
　ｆｉｌｌ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１１１ｆｌｆｌを
仙かりことにより発生する干渉トルクで間接的１受動ｎ
ｕｉカ制ｔｌｌｌ　’Ｑ　キロ　−Ｌ、　ｈ　ラ２．：
、ｐ＞、ｒｌ　ｔｉｔ’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ＦＴＰ制御を
考える。

マニピュ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）句十ｈ　（Ｑ、へ）＋ｒＱ十〇（ｑ）−τ・・
・（１） 但しｑは関節角、τは関節トルク、Ｍ（ｑ）は慣性行列
、ｈ　（ｑ、ψ）は］リオリ・遠心ツバ［は粘性ｒＩＪ
擦行列、０（ｑ）はΦカを表わす。

保持ブレーキＯＦＦの場合、受動関節のトルクはぜ口で
あるから、 τ−（τ　、τ　、・・・、τに、０．・・・、０）＝
（（τ’）’、０）ｔ　　　　　　・・・（２）（注：
ベクトルで、ｑ等の要素１ｉ必ずしも関節の幾何学順序
通りに並んで・いない。） （１）のｑ、伯に各関節でセン（すでπ１測された現在
値を代入すると、ｈ　（ｑ、ｌ　＋ｒ匂ト０（Ｑ）は値
を求めることが゛（゛きて定数項となる。またＭ（Ｑ）
も定数行列となって（１）はτと１に関する連立１次方
程式とみなすことができる。ここ７．、、Ｆｑの要素の
うも受動関節をケベて含むに個を選んで目標値ψ−（φ
　、・・・、ψ８）　を与える。まだ残りのｎ　−に個
をψ−（φ　、・・・、φ。−１どおき、慣性行列Ｍ（
Ｑ）のそれぞれに対応りる部分を Ｍｌ　（Ｑ）、Ｍ２　（ｑ）とすると（１）は、Ｍｌ　
（ｑ）ψ−＋ｈ　（Ｑ、ｑ）　ト１＋ｇ　（（１）−τ
−Ｍ２（Ｑ）φ −Ａｘ　　　　　　　　　　　　　　　　　・・・（３
）但し 行列へが正則へらば（３）は解くことができ、ｘ＝Ａ　
　（Ｍｌ　　（ｑ）ψ十ｈ　（ｑ、φ）＋［向上〇　（
ｑ）　３　　　　　　　　　・・・（４）！Ｊ’　／ｊ
わ朽アクチュ■−タトルクτ′及び目標（偵を与えられ
なかった関節の角加速１ｑφが求められる。

結局、ｋ個の能動関節のトルクによってｎ−に個の受動
関節を含むに個の関節の角加速度を制御１ｙることがで
きる。

〈制御アルゴリズム〉 ＰＴＰｌ＋１ＩＩＯ’ｌエルＷ合、第２図、ｆｌｌ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（０＜ｔ＜Ｔ１．保持プレー４−ＯＮ）■
、解放区間（Ｔ　１＜　ｔ　＜　Ｔ　２　。

保持プレー１＝ＯＦＦ） ■、減速区間（Ｔ　２　＜　ｔ　＜　７３゜保持ブレー
キＯＮ） このうらＨの区間において受！ＩＪｌ！１節を含むに個
の関節を目標軌道に沿って動かし、Ｔ、ｌ［［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１）る軌道とアクチュ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に個の関節に対し■におＴｙ捧
角度ψ、角速度φ、角加速度ψの軌道を与え；□、、、
、：、＋： る。（１０シ境界条件としてｔ＝Ｔ、、■、においてψ
−〇） ■残りｎ−に個の関節について、角麿ψ、角速ＩｎΦの
ｔ＝Ｔ１における値を与える。

■ｔ＝Ｔ１において（４）の計０を行い、アクテコ１−
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リンブリング時刻における角速瓜
Φ、角１ｑφを求める。

■（（４）の計ｔフ→数値積分ｌを反復し、■の全区Ｉ
Ｊ！ｉにわたってアクチュエータトルクτ′及び角加速
度ｑ、角速１哀内、角度ｑを決定する。

制御を実行する際には次のようなフィードバック則を用
いる。■゛Ｃ与える角度、角速度、角加速度の目標値を
それぞれψ４．ψ０．ψ、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　十ζω。（ψ、−φ） 十ω　　（ψｄ−φ）　　　　　　　　・・・（５）と
おき、この角加速度ψをアルゴリズムの■へ・■で用ツ
コ Ｉ、Ｉ［ｌの区間におけるφの制御は通常のマニピュレ
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４゛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＝０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ュレータの関節角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Ｊ この発明では関節で連続したリンクをｈするマニピュレ
ータにおいで、ｒＪ［］節間の動力学的干渉を利用して
アクチュエータを有するｆｌ！節のトルクによってアク
チュ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、アクチュエータを右しない関節を伝達
機構を要Ｕず駆動することができ、マニピュレータ関節
の７クチ」エータ数を減すことができる。したがってマ
ニビル−タの構造が的中になり小型化、省エネルギー化
を８６′：８“”　９Ｐ７

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明のマニピ」レータを示す正面説明図、
第２図１．ｔマニピュレータの運動を示す説明図、第３
図は￥ｌｆｆ１Ｍの角１ｑ線図、及び第４図は質ωＭの
角速度線図である。 １・・・マニピュレータ Ａ　（Ａ１〜Ａｋ）・・・アクチュー［−タ８　（８１
〜Ｂｏ−ｋ）　・・・保持ブレーキＣ（Ｃ，〜Ｃｏ）・
・・関節 ′１図 第４図本 自 第２図 （ｎ・２め積令） Ｉ　　　　　　■　　　　　■

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ｎ自由度のマニピュレータであって、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
   クチュエータを備え、残りｎ−ｋ個（ｋ≧ｎ−ｋ）の関
   節部に保持ブレーキを備えていることを特徴とするマニ
   ピュレータ
2. （２）ｎ自由度のマニピュレータであって、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
   クチュエータを備え、残りｎ−ｋ個（ｋ≧ｎ−ｋ）の関
   節部に保持ブレーキを備えるマニピュレータの操縦方法
   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ュエータを有する関節のトルク
   または力によつて関節を有し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ュ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
   た状態ではアクチュエータを有する関節の角度または変
   位を前記アクチュエータにより制御することを特徴とす
   るマニピュレータの制御方法