JP3094091B2 - 宇宙ロボットの制御装置 - Google Patents

宇宙ロボットの制御装置

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JP3094091B2 JP03267733A JP26773391A JP3094091B2 JP 3094091 B2 JP3094091 B2 JP 3094091B2 JP 03267733 A JP03267733 A JP 03267733A JP 26773391 A JP26773391 A JP 26773391A JP 3094091 B2 JP3094091 B2 JP 3094091B2
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  • Control Of Position, Course, Altitude, Or Attitude Of Moving Bodies (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、宇宙空間での組立作業
や保守作業などに使用される宇宙ロボットを制御するた
めの制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知のように、ベースが固定されている
地上ロボットを制御してターゲットを捕捉させることは
極めて簡単である。たとえば、図４に示すように、視覚
センサによってターゲットの位置・姿勢を認識し、この
認識結果をマニピュレータ軌道生成器２に導入してマニ
ピュレータの現在位置からターゲットの把持位置までの
軌道を生成してマニピュレータ先端の逐次目標位置 cＰ
ｍd を算出する。この逐次目標位置 cＰｍd をマニピュ
レータ先端速度生成器３に導入してマニピュレータ先端
の速度指令値 cＶｍd を求める。次に、速度指令値 cＶ
ｍd とヤコビ行列生成器４によってマニピュレータの関
節角より求められたヤコビ行列Ｊとをマニピュレータ関
節速度生成器５に導入してマニピュレータの関節速度ω
ｃd を算出し、この算出結果に基いてマニピュレータを
ターゲット把持位置まで移動させ後にグリッパの閉動作
を行えばよい。このように、地上ロボットでターゲット
を把持させることは容易である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、人工衛
星にマニピュレータを搭載して構成された宇宙ロボット
の場合には、宇宙ロボットと捕捉対象であるターゲット
とが無重力下の宇宙空間に浮遊しているため、地上で採
用している制御方式を採用することはできない。すなわ
ち、宇宙空間でマニピュレータを動作させると、この動
作に伴う反力によってマニピュレータのベースである人
工衛星の位置・姿勢が揺動し、マニピュレータ先端の位
置決めが困難となる。また、宇宙空間に浮遊しているタ
ーゲットをマニピュレータ先端のグリッパで捕捉する際
に、地上の場合と同様の位置制御、速度制御方式を採用
すると、マニピュレータが受ける荷重により、マニピュ
レータが揺動し、マニピュレータに過大な負荷が作用し
たり、ターゲットがグリッパから外れる事態が発生する
場合がある。さらに、ターゲットは宇宙空間に浮遊して
いるため、マニピュレータ先端のグリッパがターゲット
と衝突した場合、衝突に伴なってターゲットに並進や回
転運動が加えられ、マニピュレータの動作範囲外にター
ゲットが飛行して捕捉が不可能になってしまうことがあ
る。
【０００４】上述の如く、地上ロボットで採用している
制御方式を宇宙ロボットに適用しても、宇宙空間と言う
特殊状況が原因して浮遊するターゲットを良好に捕捉す
ることはできない。このため、宇宙ロボットにおける制
御方式の出現が望まれているのが実情である。そこで本
発明は、上述した要望を満たすことができ、飛行するタ
ーゲットを良好に捕捉可能な宇宙ロボットの制御装置を
提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は人工衛星にマニピュレータを搭載して構成
された宇宙ロボットで宇宙空間に浮遊しているターゲッ
トを捕捉させるべく該宇宙ロボットを制御する制御装置
において、前記人工衛星と前記ターゲットとの相対的な
位置及び速度を認識するために前記人工衛星に搭載され
た視覚センサと、前記人工衛星の位置及び速度を検出す
るために前記人工衛星に搭載された第１のセンサと、前
記マニピュレータのグリッパと前記ターゲットとの相対
的な位置及び姿勢を検出するために前記マニピュレータ
に搭載された第２のセンサと、前記マニピュレータに加
わる力を検出するために前記マニピュレータに搭載され
た力覚センサと、前記視覚センサ、第１のセンサ、第２
のセンサ及び力覚センサから得られた情報に基づいて前
記宇宙ロボットを駆動制御する駆動制御手段とを具備
し、前記駆動制御手段は、（ａ）前記視覚センサから得
られた情報に基づいて前記ターゲットが前記マニピュレ
ータの動作範囲内に入るように前記人工衛星を誘導さ
せ、（ｂ）前記第１のセンサから得られた情報に基づい
て前記マニピュレータの動作に伴う前記人工衛星の姿勢
変動を考慮して前記マニピュレータの先端を前記ターゲ
ットの被捕捉部分へ位置決めすべく前記マニピュレータ
を駆動し、（ｃ）前記第２のセンサから得られた情報に
基づいて前記ターゲットの被把持部分を把持可能な位置
に前記グリッパを位置させるべく前記マニピュレータを
駆動し、（ｄ）前記力覚センサから得られた情報に基づ
いて前記マニピュレータの位置を修正した後に前記グリ
ッパに把持動作を行わせることを特徴とする。
【０００６】
【作用】宇宙ロボットで飛行ターゲットを捕捉する場
合、まず人工衛星に搭載された視覚センサから得られた
情報を基にしてマニピュレータとターゲットとの相対的
な位置、速度が認識され、これに基いてターゲットがマ
ニピュレータの動作範囲内に入るように人工衛星が誘導
される。
【０００７】次に、人工衛星に搭載された第１のセンサ
からの情報に基づいて、人工衛星の位置の変動を考慮し
てマニピュレータの先端をターゲットの被捕捉部分へ位
置決めすべくマニピュレータが駆動される。すなわち、
マニピュレータの動作に伴う人工衛星の位置、速度の変
化が第１のセンサによって検出され、マニピュレータの
先端をターゲットに追従させる軌道が生成された後に速
度指令が生成されることによって、ターゲットを追尾す
るようにマニピュレータが駆動される。次に、第２のセ
ンサから得られた情報を基にしてターゲットの被把持部
分を把持可能な位置にグリッパを位置させるべくマニピ
ュレータが駆動される。
【０００８】次に、マニピュレータに取付けられた力覚
センサからの情報を用いて、マニピュレータの位置が修
正され、ターゲットの被把持部分の接触に伴うターゲッ
トの揺動を低減させながら把持動作が行なわれる。
【０００９】
【実施例】以下、図面を参照しながら実施例を説明す
る。図１には本発明の一実施例に係る制御装置によって
制御される宇宙ロボット２１の外観が示されている。こ
の宇宙ロボット２１は、人工衛星２２と、この人工衛星
２２に搭載されたマニピュレータ２３とを備えている。
【００１０】人工衛星２２には、この人工衛星２２の位
置、速度を検出するためのセンサ（第１のセンサ）２４
と、捕捉対象である図示しないターゲットと人工衛星２
２との相対的な位置、速度を認識するための視覚センサ
２５と、人工衛星２２の飛行、姿勢制御を行うための推
進装置２６ａ，２６ｂ，２６ｃとが搭載されている。
【００１１】一方、マニピュレータ２３には、その先端
部にグリッパ２７が取付けてあり、このグリッパ２７の
近傍にはグリッパ２７に加わる力を検出するための力覚
センサ２８と、グリッパ２７と図示しないターゲットと
の相対的な位置、姿勢を検出するための近接センサ（第
２のセンサ）２９とが搭載されている。
【００１２】そして、人工衛星２２の内部には、図２に
示すように、外部からの無線信号で動作を開始する制御
系３１が人工衛星とマニピュレータのダイナミクス３２
に接続されて設けられている。人工衛星とマニピュレー
タのダイナミクス３２は、制御系３１による制御に基づ
いて人工衛星２２及びマニピュレータ２３を駆動する装
置であり、制御系３１とダイナミクス３２により駆動制
御系が構成される。
【００１３】この制御系３１は、センサ２４あるいは近
接センサ２９で検出されたターゲットの位置、姿勢、速
度からマニピュレータ２３の先端の軌道を生成するマニ
ピュレータ軌道生成器３３と、マニピュレータ２３の軌
道、マニピュレータ２３に作用する力情報、人工衛星２
２の並進速度、回転速度などを入力してマニピュレータ
２３の先端速度を生成するマニピュレータ先端速度生成
器３４と、マニピュレータ２３の先端速度からマニピュ
レータ２３の関節速度を生成するマニピュレータ関節速
度生成器３５と、マニピュレータ２３の関節角からヤコ
ビ行列を生成してマニピュレータ関節速度生成器３５に
与えるヤコビ行列生成器３６と、マニピュレータ２３の
関節角、人工衛星２２の位置、姿勢情報を入力して宇宙
空間に固定された座標系におけるマニピュレータ２３の
先端位置を生成する座標変換器３７と、人工衛星２２の
位置、姿勢情報を入力して宇宙空間に固定され座標系と
人工衛星２２に固定され座標系間の回転行列を生成する
回転行列生成器３８とで構成されている。次に、上記の
ように構成された制御装置の作用を説明する。
【００１４】宇宙ロボット２１で飛行ターゲットを捕捉
する場合、まず人工衛星２２に搭載された視覚センサ２
５でターゲットとの相対的な位置、速度を認識させ、こ
の認識結果に基いてターゲットが宇宙ロボット２１に搭
載されたマニピュレータ２３の動作範囲以内に入るよう
に推進装置２６ａ〜２６ｃを動作させて人工衛星２２を
誘導する。
【００１５】次に、マニピュレータ２３の動作に伴う人
工衛星２２の位置、速度の変化を人工衛星２２に搭載さ
れたセンサ２４で検出し、人工衛星２２の位置の変動を
考慮しながら、図示しないターゲットの被把持位置にグ
リッパ２７が位置するようにマニピュレータ２３を移動
させる。
【００１６】このマニピュレータ２３の制御は、具体的
には次のようにして行われる。すなわち、宇宙空間にお
けるグリッパ２７の現在位置からターゲット把持位置ま
での軌道に基いてマニピュレータ軌道生成器１２におい
て宇宙空間に固定された座標系ΣA における逐次目標位
置 AＰｍd を生成する。これと宇宙空間におけるマニピ
ュレータ２３の現在位置 A Pｍm からマニピュレータ先
端速度生成器３４においてＰＩＤ制御によりマニピュレ
ータ３の先端速度 AＶｍd を算出し、算出されたマニピ
ュレータ２３の先端速度 AＶｍd とセンサ２４で検出さ
れた座標系ΣAにおける人工衛星２２の並進速度 AＶｃm
、回転角速度ωｃm を用いて、 cＶｍd ＝ cＴA （ AＶｍd − AＶｃm ）−Ｗ AＰｍm ωｃm …(1)
【００１７】により、人工衛星２２に固定して設けた座
標系Σc におけるマニピュレータ２３の先端速度 cＶｍ
d を算出する。ただし、 cＴA は人工衛星２２に固定さ
れた座標系Σc を宇宙空間に固定された座標系ΣA に変
換する回転行列、Ｗは定数変換行列である。そして、マ
ニピュレータ関節速度生成器３５において、 ωｃd ＝Ｊ-1 cＶｍd …(2)
【００１８】により、マニピュレータ２３の各関節の速
度指令値ωｃd を求め、マニピュレータ２３の各軸モー
タを駆動する。ただし、Ｊはマニピュレータのヤコビ行
列であり、マニピュレータの関節角情報を用いてヤコビ
行列生成器３６において算出されたものである。
【００１９】ターゲット把持位置に到達した後は、近接
センサ２９から得られたグリッパ２７とターゲットとの
相対的な位置、姿勢情報を用いてマニピュレータ軌道生
成器３３においてターゲットの運動に応じて、随時、タ
ーゲットを把持可能な位置までの軌道を生成し、マニピ
ュレータ先端速度生成器３４、マニピュレータ関節速度
生成器３５を経由させてマニピュレータ２３の各軸モー
タを駆動する。
【００２０】さらに、グリッパ２７で図示しないターゲ
ットの被把持部分を把持するときは、マニピュレータ先
端速度生成器３４において、マニピュレータ２３の先端
位置に不感帯を備えたダンパ（粘性減衰係数Ｃ）を想定
し、これにマニピュレータ２３に取付けた力覚センサ２
８で検出された力Ｆが作用した場合の運動と同一になる
ようにマニピュレータ２３の先端速度 cＶｍd を生成
し、ターゲットの被把持部分のグリッパ２７との接触に
伴うターゲットの揺動を低減させる。すなわち、力覚セ
ンサ２８で検出された力情報Ｆと、予め設定された力の
設定値Ｆa と、粘性減衰係数Ｃを用いて、 Ｆ＞Ｆa のときには、 cＶｍd ＝Ｃ-1（Ｆ−Ｆa ） …(3) Ｆ≦Ｆa のときには、 cＶｍd ＝０ …(4)
【００２１】によりマニピュレータ３の先端速度 cＶｍ
d 求め、この値を使ってマニピュレータ関節速度生成器
３５でマニピュレータ２３の各関節の速度指令値ωｃd
を求め、マニピュレータ２３の各軸モータを駆動する。
そして、最終的に把持動作へと移行させる。
【００２２】このように、視覚センサ２５で捕捉対象で
あるターゲットと宇宙ロボット２１との相対的な位置、
速度を認識し、飛行ターゲットを追尾させた後、人工衛
星２２に搭載された他のセンサ２４で人工衛星２２の位
置、速度を検出し、マニピュレータ２３の動作に伴う人
工衛星２２の姿勢の変化を考慮してマニピュレータ２３
の先端の目標速度を生成し、マニピュレータ２３の先端
の位置決めを行うことにより、飛行ターゲットへの追従
動作を実行し、さらに近接センサ２９で検出されたター
ゲットの被把持部分とグリッパ２７との相対的な位置、
姿勢情報を用いてマニピュレータ２３のターゲットへの
アプローチ動作を行わせ、さらにまたグリッパ把持時に
力覚センサ２８でターゲットとグリッパ２７との間に作
用する力を検出し、この情報を使ってマニピュレータ２
３を制御することによって捕捉に伴うターゲットの揺動
を低減させるようにしているので、飛行ターゲットの捕
捉動作を安定に行わせることができる。
【００２３】図３には本発明の他の実施例に係る制御装
置における制御系３１ａが示されている。この図では、
図２と同一機能部分が同一符号で示されている。したが
って、重複する部分の詳しい説明は省略する。
【００２４】この実施例では、グリッパ２８で図示しな
いターゲットの被把持部分を把持するときに、マニピュ
レータ２３に取付けられた力覚センサ２８から得られた
力情報を用いて、マニピュレータ先端位置補正器３９に
おいてマニピュレータ２３の位置を修正し、ターゲット
の被把持部分のグリッパ２７との接触に伴うターゲット
の揺動を低減させるようにしている。
【００２５】すなわち、図示しないターゲットの被把持
部分を把持する際に、マニピュレータ先端位置補正器３
９において、マニピュレータ２３の逐次目標位置回りに
バネ（バネ定数Ｋ）、ダンパ（粘性減衰係数Ｃ）で接続
された慣性体（質量Ｋ）を想定し、これに力覚センサ２
８で検出した力Ｆが作用した場合の運動と同一になるよ
うに、マニピュレータ２３の修正された逐次目標位置 c
Ｐｍ′d を生成する。補正された逐次目標位置 cＰｍ′
d は、 ｅ＝ cＰｍ′d − cＰｍd …(5)
【００２６】
【数１】 より求める。
【００２７】さらに、マニピュレータ先端速度生成器３
４において、補正された逐次目標位置 cＰｍ′d と現在
位置 cＰｍm とからＰＩＤ制御によりマニピュレータ２
３の先端速度 cＶｍd を生成し、これに基いてマニピュ
レータ関節速度生成器３５においてマニピュレータ２３
の各関節の速度指令値ωｃd を求め、マニピュレータ２
３の各軸モータを駆動するようにしている。
【００２８】この実施例では、マニピュレータ先端位置
補正器３９において動的なモデルを用い、力覚センサ２
８で検出された力からマニピュレータ２３の先端速度を
算出し、この先端速度に合わせるようにマニピュレータ
２３の先端速度を制御することによって捕捉に伴うター
ゲットの揺動を低減させている。このように構成しても
安定した捕捉動作を行わせることができる。なお、上述
した実施例ではマニピュレータの速度指令を用いた制御
について説明したが、マニピュレータのトルク指令を用
いた制御を行うことも可能である。
【００２９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係る宇宙
ロボットの制御装置では、人工衛星に搭載された視覚セ
ンサから得られた人工衛星とターゲットとの相対的な位
置及び速度の情報に基づいてターゲットがマニピュレー
タの動作範囲内に入るように前記人工衛星を誘導させた
後、人工衛星に搭載された第１のセンサで得られた人工
衛星の位置及び速度の情報を基にしてマニピュレータ先
端速度生成器においてマニピュレータの動作に伴う人工
衛星の位置、姿勢の変化を考慮したマニピュレータの先
端速度を生成することにより、宇宙空間においてマニピ
ュレータの飛行ターゲットへの追従動作を実行し、さら
に近接センサで得られたターゲットの被把持部分とグリ
ッパとの相対的な位置、姿勢情報を用いてマニピュレー
タ軌道生成器においてターゲットへのアプローチ軌道を
生成し、さらにまたグリッパ把持時に力覚センサでマニ
ピュレータに作用する力を検出し、この検出値を用いて
マニピュレータ先端速度を外力に応じて制御するように
しているので、飛行ターゲットを安定に捕捉することが
可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る制御装置によって制御される宇宙
ロボットの外観図、
【図２】同宇宙ロボットに組込まれた制御系のブロック
図、
【図３】他の実施例に係る宇宙ロボットの制御装置にお
ける制御系のブロック図、
【図４】地上ロボットにおける制御装置のブロック図。
【符号の説明】
２１…宇宙ロボット、 ２２…人工衛
星、２３…マニピュレータ、 ２４…セン
サ、２５…視覚センサ、 ２６ａ〜２
６ｃ…推進装置、２７…グリッパ、
２８…力覚センサ、２９…近接センサ、３２…人工衛
星とマニュピレータとを合わせた系全体のダイナミク
ス、３３…マニピュレータ軌道生成器、３４…マニピュ
レータ先端速度生成器、３５…マニピュレータ関節速度
生成器、３６…ヤコビ行列生成器、 ３７…座標変換
器、３８…回転行列生成器、 ３９…マニピ
ュレータ先端位置補正器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 田村 耕作 (56)参考文献 特開 平３−97013（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−241614（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−9592（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−289683（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B25J 13/08 B25J 9/10 B64G 1/24 G05D 3/12 305

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】人工衛星にマニピュレータを搭載して構成
    された宇宙ロボットで宇宙空間に浮遊しているターゲッ
    トを捕捉させるべく該宇宙ロボットを制御する制御装置
    において、前記人工衛星と前記ターゲットとの相対的な位置及び速
    度を認識するために前記人工衛星に搭載された視覚セン
    サと、 前記人工衛星の位置及び速度を検出するために前記人工
    衛星に搭載された第１のセンサと、 前記マニピュレータのグリッパと前記ターゲットとの相
    対的な位置及び姿勢を検出するために前記マニピュレー
    タに搭載された第２のセンサと、 前記マニピュレータに加わる力を検出するために前記マ
    ニピュレータに搭載された力覚センサと、前記視覚センサ、第１のセンサ、第２のセンサ及び力覚
    センサから得られた情報に基づいて前記宇宙ロボットを
    駆動制御する駆動制御手段とを具備し、 前記駆動制御手段は、 （ａ）前記視覚センサから得られた情報に基づいて前記
    ターゲットが前記マニピュレータの動作範囲内に入るよ
    うに前記人工衛星を誘導させ、 （ｂ）前記第１のセンサから得られた情報に基づいて前
    記マニピュレータの動作に伴う前記人工衛星の姿勢変動
    を考慮して前記マニピュレータの先端を前記ターゲット
    の被捕捉部分へ位置決めすべく前記マニピュレータを駆
    動し、 （ｃ）前記第２のセンサから得られた情報に基づいて前
    記ターゲットの被把持部分を把持可能な位置に前記グリ
    ッパを位置させるべく前記マニピュレータを駆動し、 （ｄ）前記力覚センサから得られた情報に基づいて前記
    マニピュレータの位置を修正した後に前記グリッパに把
    持動作を行わせる ことを特徴とする宇宙ロボットの制御
    装置。
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