JP3224839B2 - Manipulator control device - Google Patents

Manipulator control device

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JP3224839B2
JP3224839B2 JP3357892A JP3357892A JP3224839B2 JP 3224839 B2 JP3224839 B2 JP 3224839B2 JP 3357892 A JP3357892 A JP 3357892A JP 3357892 A JP3357892 A JP 3357892A JP 3224839 B2 JP3224839 B2 JP 3224839B2
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Japan
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joint
joints
target
manipulator
angle
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道 宏 植之原
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B25HAND TOOLS; PORTABLE POWER-DRIVEN TOOLS; MANIPULATORS
    • B25JMANIPULATORS; CHAMBERS PROVIDED WITH MANIPULATION DEVICES
    • B25J18/00Arms
    • B25J18/005Arms having a curved shape

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Robotics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Numerical Control (AREA)
  • Manipulator (AREA)

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、第1関節乃至第7関節
の7個の関節を有するマニピュレータの制御装置に係
り、特に、マニピュレータの先端部の第5関節乃至第7
関節の3個の関節が互いにロール・ピッチ・ロールの関
係にあるとともに第5関節乃至第7関節の関節軸が一つ
の交点を有し、前記制御装置は前記交点の位置を目標位
置に従うようにかつ第7関節に装着された手先の姿勢を
目標姿勢に従うように各々制御するマニピュレータ制御
装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a manipulator control device having seven joints, a first joint to a seventh joint, and more particularly, to a fifth joint to a seventh joint at a distal end of the manipulator.
The three joints are in a roll-pitch-roll relationship with each other, and the joint axes of the fifth to seventh joints have one intersection, and the control device causes the position of the intersection to follow a target position. Also, the present invention relates to a manipulator control device that controls the posture of a hand attached to a seventh joint so as to follow a target posture.

【0002】[0002]

【従来の技術】工場内で使用される産業用ロボットを中
心として、6個の関節を有するマニピュレータが多く用
いられている。これらの多くのマニピュレータは、先端
部の3個の関節の関節軸が一点で交わりかつこれらの関
節がロール・ピッチ・ロールの関係にある。
2. Description of the Related Art Many manipulators having six joints are used mainly for industrial robots used in factories. In many of these manipulators, the joint axes of the three joints at the distal end intersect at a single point, and these joints are in a roll-pitch-roll relationship.

【0003】このような6個の関節を有するマニピュレ
ータの先端に装着された手先は、マニピュレータが6自
由度を有するために、マニピュレータの動作範囲内にあ
る限り、3次元空間の任意の位置および姿勢を実現する
ことができる。
[0003] Since the manipulator has six degrees of freedom, the hand attached to the tip of such a manipulator having six joints has an arbitrary position and posture in a three-dimensional space as long as the manipulator is within the operation range of the manipulator. Can be realized.

【0004】通常、マニピュレータ制御装置は、指定さ
れた目標位置および目標姿勢を表す座標値を各関節の関
節角度の値に座標変換して目標関節角度を求め、次にこ
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。
Normally, the manipulator control device converts the coordinate values representing the designated target position and target posture into the values of the joint angles of each joint to obtain the target joint angles, and then realizes these target joint angles. To control each joint axis.

【0005】先端部の3個の関節がロール・ピッチ・ロ
ールの関係にあるこれらのマニピュレータが目標とする
位置および姿勢を実現しようとする場合において、次の
2つのやり方が通常よく考えられる。
In the case where the manipulators in which the three joints at the distal end have a roll-pitch-roll relationship to achieve a target position and posture are intended, the following two approaches are usually considered.

【0006】すなわち、一つはマニピュレータの先端の
先端位置と先端姿勢とを制御目標とするもの、他は先端
部の3個の関節の関節軸の交点の位置とマニピュレータ
の先端姿勢とを制御目標とするものである。
That is, one is a control target of the tip position and tip attitude of the tip of the manipulator, and the other is a control target of the position of the intersection of the joint axes of the three joints at the tip and the tip attitude of the manipulator. It is assumed that.

【0007】後者の場合、すなわち先端部の3個の関節
の関節軸の交点の位置を目標位置にしかつマニピュレー
タの先端の姿勢を目標姿勢にする場合には、マニピュレ
ータの基端部の3個の関節によって目標位置を規定し、
先端部の3個の関節によって目標姿勢を規定することに
なる。このため、基端部の3個の関節と先端部の3個の
関節とが分離して扱うことができるので、目標位置およ
び目標姿勢から目標関節角度を求めるための座標変換を
容易に行うことができる。
In the latter case, that is, when the position of the intersection of the joint axes of the three joints at the distal end is set to the target position and the posture of the distal end of the manipulator is set to the target posture, the three positions at the base end of the manipulator are set. The target position is defined by the joint,
The target posture is defined by the three joints at the distal end. Therefore, the three joints at the base end and the three joints at the distal end can be handled separately, so that coordinate conversion for obtaining a target joint angle from a target position and a target posture can be easily performed. Can be.

【0008】一方、近年、研究開発用を始めとして7個
の関節を有するマニピュレータが開発され始めている。
On the other hand, in recent years, manipulators having seven joints have been developed for research and development.

【0009】マニピュレータを制御目標とする目標位置
および目標姿勢へ制御できるためには、マニピュレータ
は6個の関節を有すれば十分である。従って、7個の関
節を有するマニピュレータにおいては、目標位置および
目標姿勢を実現するための関節角度は一意には決まらな
い。この残りの一自由度を利用することによって、障害
物の回避、無理のない姿勢の実現あるいは特異姿勢の回
避などを可能にすることができる。
In order for the manipulator to be able to control to the target position and the target posture as the control target, it is sufficient that the manipulator has six joints. Therefore, in a manipulator having seven joints, a joint angle for realizing a target position and a target posture is not uniquely determined. By using the remaining one degree of freedom, it is possible to avoid obstacles, realize a reasonable posture, or avoid a peculiar posture.

【0010】障害物の回避とは、目標位置および目標姿
勢を実現しなが肘の姿勢を変化させることによりマニピ
ュレータのリンクが障害物と衝突することを防ぐことで
ある。
The avoidance of an obstacle is to prevent a link of a manipulator from colliding with an obstacle by changing a posture of an elbow while realizing a target position and a target posture.

【0011】また、無理のない姿勢の実現とは、ある関
節の関節角度が可動範囲限界付近にまでできるだけ達し
ないように、目標位置および目標姿勢を実現できる種々
の関節角度から適当な関節角度を選択することである。
一般に、6個の関節を有すれば可動範囲内の任意の位置
および姿勢を実現できるが、目標とする位置や姿勢の値
によってはマニピュレータがかなり無理の姿勢になるこ
とがおうおうにしてある。人間の腕は通常、あまり無理
な姿勢をとらない。この理由は人間の腕が7個の関節を
有することに大きく負っている。同様にマニピュレータ
においても、7個の関節を利用することによって無理の
ない姿勢を実現できる。
[0011] Realization of a reasonable posture means that an appropriate joint angle is determined from various joint angles capable of realizing a target position and a target posture so that the joint angle of a certain joint does not reach the vicinity of the movable range limit as much as possible. Is to choose.
In general, any position and posture within the movable range can be realized by having six joints, but the manipulator is likely to assume a considerably unreasonable posture depending on the target position and posture values. Human arms usually do not assume too much posture. This is largely due to the human arm having seven joints. Similarly, in the manipulator, a reasonable posture can be realized by using the seven joints.

【0012】また、無理のない姿勢は、できるだけ多数
の関節を寄与させることによって実現される姿勢であ
る。制御目標を実現するための動作を特定の関節のみに
偏って負担させることは、各関節にはそれぞれ可動範囲
があるのでその関節の可動範囲限界によって制限され、
マニピュレータの可動範囲が狭くなるからである。
A comfortable posture is a posture realized by contributing as many joints as possible. To bias the operation to achieve the control target only to a specific joint is limited by the movable range limit of the joint because each joint has a movable range,
This is because the movable range of the manipulator becomes narrow.

【0013】また、特異姿勢の回避とは、例えば複数の
関節軸が一致あるいは平行になったりすることを回避す
ることである。このような特異姿勢においては、複数の
関節で1個の自由度しか実現できなくなるからである。
The avoidance of the unusual posture is, for example, avoiding that a plurality of joint axes are coincident or parallel. This is because, in such a unique posture, only one degree of freedom can be realized by a plurality of joints.

【0014】上述のように、7個の関節を有するマニピ
ュレータは余分の1個の関節を種々の目的を実現するた
めに利用することが可能である。
As described above, a manipulator having seven joints can use the extra one joint for various purposes.

【0015】[0015]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これま
で研究開発されてきた7個の関節を有するマニピュレー
タは障害物の回避に利用するものがほとんどであった。
あるいは、そのときどきのマニピュレータの肘の角度を
外部から指定して目的を実現するのみのものであった。
However, most of the manipulators having seven joints which have been researched and developed have been used for avoiding obstacles.
Alternatively, the objective is only realized by designating the angle of the elbow of the manipulator at that time from the outside.

【0016】従って、特別な障害物がない場合には、マ
ニピュレータが余分の1個の関節を有することを十分に
は利用してはいなかった。また、外部から目標値を与え
なくとも、できるだけ無理のない姿勢を実現するマニピ
ュレータは見受けられなかった。すなわち、目標位置お
よび目標姿勢を実現する関節角度の中で最も無理のない
目標関節角度を算出し、この目標関節角度に追従するよ
うにマニピュレータを制御するマニピュレータ制御装置
は見受けられず、冗長自由度を十分には利用していなか
った。
Therefore, in the absence of a special obstacle, the fact that the manipulator has one extra joint has not been fully utilized. Also, no manipulator that achieves a posture that is as comfortable as possible without giving a target value from outside has not been found. That is, a manipulator control device that calculates the most reasonable target joint angle among the joint angles that achieve the target position and the target posture and controls the manipulator to follow this target joint angle is not found, and the degree of redundancy is not found. Was not fully utilized.

【0017】そこで本発明の目的は、上記従来技術の有
する問題を解消し、目標位置および目標姿勢を実現する
関節角度の中で、マニピュレータの姿勢に無理のない各
関節の目標関節角度を演算するマニピュレータ制御装置
を提供することである。
Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art, and calculate a target joint angle of each joint which is reasonable in the posture of the manipulator among the joint angles for realizing the target position and the target posture. It is to provide a manipulator control device.

【0018】[0018]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、第1関節乃至第7関節の7個の関節を有
するマニピュレータの制御装置であって、前記マニピュ
レータの先端部の第5関節乃至第7関節の3個の関節が
互いにロール・ピッチ・ロールの関係にあるとともに第
5関節乃至第7関節の関節軸が一つの交点を有し、前記
制御装置は前記交点の位置を目標位置に従うようにかつ
第7関節に装着された手先の姿勢を目標姿勢に従うよう
に各々制御するものであり、前記制御装置は前記手先の
目標姿勢の値より第5関節乃至第7関節の目標関節角度
を演算する姿勢演算装置と、前記交点の目標位置の値よ
り目標位置を実現するための第1関節乃至第4関節の関
節角度の成分と第5関節の関節軸方向と第7関節の関節
軸方向とのずれの大きさを小さくするように作用する第
1関節乃至第4関節の関節角度の成分とを演算し、これ
らの成分を加算して第1関節乃至第4関節の目標関節角
度を演算する位置演算装置と、前記姿勢演算装置および
前記位置演算装置の演算結果により第1関節乃至第7関
節の関節角度を制御する関節角度制御装置とを備え、前
記位置演算装置は、第5関節の関節軸方向と第7関節の
関節軸方向とのずれの大きさを小さくするように作用す
る第1関節乃至第4関節の関節角度の成分の大きさを、
第5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれ
の大きさに応じて変動させることによって、第1関節乃
至第7関節の関節角度の所望に応じて基準として設定さ
れる基準関節角度からの各々の偏差の大きさが所定範囲
にあるように第1関節乃至第4関節の目標関節角度を演
算することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the present invention provides a control device for a manipulator having seven joints of a first joint to a seventh joint, wherein the manipulator has a joint at a tip end of the manipulator. The three joints 5 to 7 have a roll-pitch-roll relationship with each other, and the joint axes of the fifth to seventh joints have one intersection, and the control device determines the position of the intersection. And controlling the posture of the hand attached to the seventh joint so as to follow the target posture, and the control device controls the target of the fifth to seventh joints based on the value of the target posture of the hand. A posture calculating device for calculating a joint angle, a component of a joint angle of the first to fourth joints, a joint axial direction of the fifth joint and a joint of the seventh joint for realizing the target position from the value of the target position at the intersection; The deviation from the joint axis direction A position calculation device that calculates the joint angle components of the first to fourth joints that act to reduce the size and adds these components to calculate the target joint angles of the first to fourth joints. And a joint angle control device that controls the joint angles of the first to seventh joints based on the calculation results of the posture calculation device and the position calculation device, wherein the position calculation device has a joint axis direction of the fifth joint. The magnitude of the component of the joint angle of the first to fourth joints that acts to reduce the magnitude of the deviation of the seventh joint from the joint axis direction is:
By changing the joint angle of the fifth joint and the joint axis of the seventh joint in accordance with the magnitude of the deviation, a reference set as a reference for the joint angles of the first to seventh joints as desired. It is characterized in that the target joint angles of the first to fourth joints are calculated so that the magnitude of each deviation from the joint angle is within a predetermined range.

【0019】[0019]

【作用】マニピュレータの先端部の第5関節乃至第7関
節の3個の関節が互いにロール・ピッチ・ロールの関係
にあるとともに第5関節乃至第7関節の関節軸が一つの
交点を有するので、先端部の第5関節乃至第7関節の3
個の関節によって目標姿勢を規定し、基端部の第1関節
乃至第4関節の4個の関節によって目標姿勢を規定し、
先端部の3個の関節と基端部の4個の関節とを分離して
扱うことができるので、目標位置および目標姿勢から目
標関節角度を求めるための座標変換を容易に行うことが
できる。
Since the three joints of the fifth to seventh joints at the distal end of the manipulator are in a roll-pitch-roll relationship with each other and the joint axes of the fifth to seventh joints have one intersection, 5th to 7th joints at the distal end
The target posture is defined by the plurality of joints, the target posture is defined by the four joints of the first to fourth joints at the base end,
Since the three joints at the distal end and the four joints at the proximal end can be handled separately, coordinate conversion for obtaining a target joint angle from a target position and a target posture can be easily performed.

【0020】位置演算装置は目標位置を実現するための
第1関節乃至第4関節の関節角度の成分のみならず、第
5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの
大きさを小さくするように作用する第1関節乃至第4関
節の関節角度の成分を演算し、これらの成分を加算して
第1関節乃至第4関節の目標関節角度を演算する。
The position calculating device calculates not only the components of the joint angles of the first to fourth joints for realizing the target position, but also the magnitude of the deviation between the joint axis directions of the fifth joint and the seventh joint. Calculate the joint angle components of the first to fourth joints that act to reduce the height, and add these components to calculate the target joint angles of the first to fourth joints.

【0021】さらに、位置演算装置は、目標姿勢を規定
する第1関節乃至第4関節の4個の関節の残余の一自由
度を利用して、第5関節の関節軸方向と第7関節の関節
軸方向とのずれの大きさを小さくするように作用する第
1関節乃至第4関節の関節角度の成分の大きさを、第5
関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの大
きさに応じて変動させることによって、第1関節乃至第
7関節の関節角度の基準関節角度からの各々の偏差の大
きさが所定範囲にあるように第1関節乃至第4関節の目
標関節角度を演算する。
Further, the position calculating device utilizes the remaining one degree of freedom of the four joints of the first to fourth joints that define the target posture, and uses the joint axial direction of the fifth joint and the joint of the seventh joint. The magnitude of the component of the joint angle of the first to fourth joints, which acts to reduce the magnitude of the deviation from the joint axis direction,
By varying according to the magnitude of the deviation between the joint axial direction of the joint and the joint axial direction of the seventh joint, the magnitude of each deviation of the joint angles of the first to seventh joints from the reference joint angle is reduced. The target joint angles of the first to fourth joints are calculated so as to be within the predetermined range.

【0022】[0022]

【実施例】以下に本発明によるマニピュレータ制御装置
の一実施例を図1および図2を参照して説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS One embodiment of a manipulator control device according to the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0023】図2に示すように、7個の関節を有するマ
ニピュレータ10が基台20に取り付けられている。マ
ニピュレータ10の7個の関節は、基端部の第1関節1
1乃至第4関節14の4個の関節と、先端部の第5関節
15乃至第7関節17の3個の関節とからなる。第7関
節17の先端には手先21が装着されている。
As shown in FIG. 2, a manipulator 10 having seven joints is mounted on a base 20. The seven joints of the manipulator 10 are the first joint 1 at the proximal end.
It is composed of four joints of the first to fourth joints 14 and three joints of the fifth joint 15 to the seventh joint 17 at the distal end. A hand 21 is attached to the tip of the seventh joint 17.

【0024】また、図2(B)には、第1関節11乃至
第7関節17の構成関係が概略的に示されている。
FIG. 2B schematically shows the relationship between the first joint 11 to the seventh joint 17.

【0025】マニピュレータ10の先端部の第5関節1
5、第6関節16および第7関節17の3個の関節は互
いにロール・ピッチ・ロールの関係にある。すなわち、
第7関節17の関節軸方向17aは手先21の先端方向
に向き、かつ第6関節16の関節軸方向16aと垂直に
ある。また、第5関節15の関節軸方向15aは第6関
節16の関節軸方向16aと垂直にあり、かつ第7関節
17の関節軸方向17aと同一平面上にある。図2にお
いて、第5関節15の関節軸方向15aと第7関節17
の関節軸方向17aとは一直線をなす状態を示している
が、一般には第5関節15の関節軸方向15aと第7関
節17の関節軸方向17aとはずれている。
Fifth joint 1 at the tip of manipulator 10
The three joints 5, the sixth joint 16 and the seventh joint 17 are in a roll-pitch-roll relationship with each other. That is,
The joint axis direction 17a of the seventh joint 17 is oriented toward the distal end of the hand 21, and is perpendicular to the joint axis direction 16a of the sixth joint 16. The joint axis direction 15a of the fifth joint 15 is perpendicular to the joint axis direction 16a of the sixth joint 16, and is on the same plane as the joint axis direction 17a of the seventh joint 17. 2, the joint axis direction 15a of the fifth joint 15 and the seventh joint 17
The joint axis direction 17a of the fifth joint 15 and the joint axis direction 17a of the seventh joint 17 generally deviate from each other.

【0026】また、第5関節15、第6関節16および
第7関節17の3個の関節の関節軸は一つの交点22を
有する。
The joint axes of the three joints of the fifth joint 15, the sixth joint 16 and the seventh joint 17 have one intersection point 22.

【0027】マニピュレータ10の位置の制御対象とし
て交点22を選択し、マニピュレータの姿勢の制御対象
として手先21の姿勢を選択する。そして、マニピュレ
ータ10は交点22の位置を目標位置に従うようにかつ
手先21の姿勢を目標姿勢に従うように、マニピュレー
タ制御装置1によって各関節の目標関節角度を演算し制
御する。
The intersection 22 is selected as a control target of the position of the manipulator 10, and the posture of the hand 21 is selected as a control target of the posture of the manipulator. Then, the manipulator 10 calculates and controls the target joint angle of each joint by the manipulator control device 1 so that the position of the intersection 22 follows the target position and the posture of the hand 21 follows the target posture.

【0028】次に図1にマニピュレータ制御装置1の概
略を示す。
Next, FIG. 1 shows an outline of the manipulator control device 1.

【0029】図1において、マニピュレータ制御装置1
は交点22の目標位置の値より第1関節11乃至第4関
節14の目標関節角度を演算することに関する位置演算
装置2と、手先21の目標姿勢の値より第5関節15乃
至第7関節17の目標関節角度を演算する姿勢演算装置
3と、位置演算装置2および姿勢演算装置3の演算結果
により第1関節乃至第7関節の関節角度を制御する関節
角度制御装置4とを備えている。
In FIG. 1, a manipulator control device 1
Are the position calculation device 2 for calculating the target joint angles of the first joint 11 to the fourth joint 14 from the value of the target position of the intersection 22, and the fifth joint 15 to the seventh joint 17 based on the value of the target posture of the hand 21. And a joint angle control device 4 that controls the joint angles of the first to seventh joints based on the calculation results of the position calculation device 2 and the posture calculation device 3.

【0030】次に、図1を参照してマニピュレータ制御
装置1の作用について説明する。
Next, the operation of the manipulator control device 1 will be described with reference to FIG.

【0031】位置演算装置2には交点22の位置の指定
された目標位置に関する情報が外部から入力される。ま
た、姿勢演算装置3には手先21の姿勢の指定された目
標姿勢に関する情報が外部から入力される。
Information regarding the designated target position at the position of the intersection 22 is externally input to the position calculating device 2. In addition, information on the designated target posture of the posture of the hand 21 is externally input to the posture calculation device 3.

【0032】位置演算装置2は交点22の目標位置の値
より、目標位置を実現するための第1関節乃至第4関節
の関節角度の成分である第1成分5のみならず、第5関
節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの大き
さを小さくするように作用する第1関節乃至第4関節の
関節角度の成分である第2成分6とを演算する。位置演
算装置2は第1成分と第2成分とを加算して第1関節乃
至第4関節の目標関節角度を演算する。
Based on the value of the target position at the intersection 22, the position calculating device 2 calculates not only the first component 5 which is the component of the joint angle of the first to fourth joints for realizing the target position, but also the fifth joint. A second component 6, which is a component of the joint angle of the first to fourth joints, which acts to reduce the magnitude of the deviation between the joint axis direction and the joint axis direction of the seventh joint, is calculated. The position calculation device 2 calculates the target joint angles of the first to fourth joints by adding the first component and the second component.

【0033】また、位置演算装置2は第2成分6の大き
さが第5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向との
ずれの大きさに応じて変動させることによって、第1関
節乃至第7関節の関節角度の基準関節角度からの各々の
偏差の大きさが所定範囲にあるように第1関節乃至第4
関節の目標関節角度を演算する。
The position calculating device 2 changes the size of the second component 6 according to the magnitude of the deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint. The first to fourth joints are set such that the magnitude of each deviation of the joint angles of the seventh to seventh joints from the reference joint angle is within a predetermined range.
Calculate the target joint angle of the joint.

【0034】位置演算装置2および姿勢演算装置3の演
算結果は関節角度制御装置4に入力される。関節角度制
御装置4は入力された情報に基づきマニピュレータ10
の第1関節乃至第7関節の関節角度を制御する。
The calculation results of the position calculation device 2 and the posture calculation device 3 are input to the joint angle control device 4. The joint angle control device 4 controls the manipulator 10 based on the input information.
Of the first to seventh joints are controlled.

【0035】以下に数式を用いて上述の内容を説明す
る。
The above contents will be described below using mathematical expressions.

【0036】交点22の位置を表す位置ベクトルをx、
第1関節11乃至第4関節14の関節角度を表す関節角
度ベクトルをθとするとき、位置ベクトルxと関節角度
ベクトルθの関係は式(1)のように関数fで表すこと
ができる。
The position vector representing the position of the intersection 22 is x,
When a joint angle vector representing the joint angle of the first joint 11 to the fourth joint 14 is represented by θ, the relationship between the position vector x and the joint angle vector θ can be represented by a function f as in Expression (1).

【0037】[0037]

【数1】 ここで、Tは転置を表し、以下においても同様である。
また、f1、f2およびf3は各々fに関する空間成分
を表す。
(Equation 1) Here, T represents transposition, and the same applies to the following.
F1, f2, and f3 each represent a spatial component related to f.

【0038】また、位置ベクトルxの微小変化量Δxと
関節角度ベクトルθの微小変化量Δθとの間には、式
(2)で表される関係が成立する。
The relationship expressed by the equation (2) is established between the minute change amount Δx of the position vector x and the minute change amount Δθ of the joint angle vector θ.

【0039】[0039]

【数2】 ここで、J(θ)はヤコビアン行列である。また、θj
は第j関節の関節角度である。
(Equation 2) Here, J (θ) is a Jacobian matrix. Also, θj
Is the joint angle of the j-th joint.

【0040】次に式(2)より、Δxが与えられたとき
のΔθを求める関係を求める。この関係は式(3)のよ
うに表すことができる。
Next, a relationship for obtaining Δθ when Δx is given is obtained from Expression (2). This relationship can be expressed as in equation (3).

【0041】[0041]

【数3】 次に、以下に目標関節角度の求め方について説明する。(Equation 3) Next, a method of obtaining the target joint angle will be described below.

【0042】まず、式(1)を用いて第1関節乃至第4
関節の現在の関節角度から交点22の現在の位置を算出
する。
First, the first to fourth joints are calculated using the equation (1).
The current position of the intersection 22 is calculated from the current joint angle of the joint.

【0043】次に交点22の位置の目標位置と現在位置
との差Δxを求めた後、式(3)に従ってΔθを求め
る。
Next, after calculating the difference Δx between the target position of the position of the intersection 22 and the current position, Δθ is calculated according to equation (3).

【0044】式(3)から算出したΔθを現在の関節角
度に加えることにより、第1関節乃至第4関節の目標関
節角度が得られる。
By adding Δθ calculated from equation (3) to the current joint angle, the target joint angles of the first to fourth joints can be obtained.

【0045】なお、Δxの値が大きくなると式(3)は
厳密には成立しない。しかし、マニピュレータ制御装置
1は数msecから数10msecという短い周期で繰
り返し計算を行うので、この短い周期時間においてはΔ
xの値が十分に小さいので問題はない。
Note that when the value of Δx increases, equation (3) does not strictly hold. However, the manipulator control device 1 repeatedly performs the calculation in a short cycle of several msec to several tens msec.
There is no problem because the value of x is sufficiently small.

【0046】式(3)の右辺において、第1項は交点2
2の目標位置の値より目標位置を実現するための第1関
節11乃至第4関節14の関節角度の成分である第1成
分(図1における符号5)を表す。また、第2項は第5
関節15の関節軸方向15aと第7関節17の関節軸方
向17aとのずれの大きさを小さくするように作用する
第1関節11乃至第4関節14の関節角度の成分である
第2成分(図1における符号6)を表す。
On the right side of the equation (3), the first term is the intersection 2
A first component (reference numeral 5 in FIG. 1) is a component of a joint angle of the first joint 11 to the fourth joint 14 for realizing the target position from the value of the target position of 2. The second term is the fifth
A second component (a component of the joint angle of the first to fourth joints 11 to 14 that acts to reduce the magnitude of the deviation between the joint axial direction 15a of the joint 15 and the joint axial direction 17a of the seventh joint 17) This corresponds to reference numeral 6) in FIG.

【0047】第2成分は交点22の位置の変化になんら
影響を与えない成分である。すなわち、ベクトルkの値
をどうのように設定しても交点22の位置は変化しな
い。
The second component does not affect the change of the position of the intersection 22 at all. That is, no matter how the value of the vector k is set, the position of the intersection 22 does not change.

【0048】この第2成分の有する性質を利用して、以
下のようにしてベクトルkの値を算出することにより、
第5関節15の関節軸方向15aと第7関節17の関節
軸方向17aとのずれをできるだけ小さくするように、
第1関節11乃至第4関節14の目標関節角度を算出す
る。
By using the property of the second component to calculate the value of the vector k as follows,
In order to minimize the deviation between the joint axial direction 15a of the fifth joint 15 and the joint axial direction 17a of the seventh joint 17,
The target joint angles of the first to fourth joints 11 to 14 are calculated.

【0049】(1) 手先21の目標姿勢の値から、第
7関節17の関節軸方向17aの単位ベクトルp=(p
1、p2、p3)を算出する。ここで、p1、p2、p
3はベクトルpの空間成分を表す。
(1) From the value of the target posture of the hand 21, the unit vector p = (p
1, p2, p3) are calculated. Where p1, p2, p
3 represents a spatial component of the vector p.

【0050】(2) 第5関節15の関節軸方向15a
の単位ベクトルq=(q1、q2、q3)を第1関節1
1乃至第4関節14の関節角度θi(i=1〜4)で表
したものをq=(θ1、θ2、θ3、θ4)とすると
き、式(5)を満たすようにベクトルkを求める。
(2) Joint axial direction 15a of fifth joint 15
The unit vector q = (q1, q2, q3) of the first joint 1
When the joint angles θi (i = 1 to 4) of the first to fourth joints 14 are represented by q = (θ1, θ2, θ3, θ4), the vector k is obtained so as to satisfy Expression (5).

【0051】[0051]

【数4】 ここで、Lは単位ベクトルp=(p1、p2、p3)と
単位ベクトルq=(q1、q2、q3)との距離であ
り、式(5)によって表される。
(Equation 4) Here, L is the distance between the unit vector p = (p1, p2, p3) and the unit vector q = (q1, q2, q3), and is represented by equation (5).

【0052】[0052]

【数5】 式(4)の計算は、計測自動制御学会誌「計測と制
御」、Vol.25,No.1,吉川恒夫著「ロボット
アームの制御方式」の第2サブタスクの評価関数pをL
と置換し、このLに対して、「ロボットアームの制御方
式」の記載中の(4.6)式の計算を行ったことに相当
する。
(Equation 5) The calculation of equation (4) is described in the Journal of the Society of Instrument and Control Engineers, “Measurement and Control,” Vol. 25, no. 1, the evaluation function p of the second subtask in Tsuneo Yoshikawa's “Robot arm control method” is L
This corresponds to the calculation of equation (4.6) described in “Control method of robot arm” for L.

【0053】ただし、本実施例においては、「ロボット
アームの制御方式」の記述と異なり評価関数となるLの
値をなるべく小さくするようにベクトルkの値を決めた
いので、式(4)の右辺に負符号を付けてある。
However, in the present embodiment, unlike the description of the “robot arm control method”, it is desired to determine the value of the vector k so as to minimize the value of L, which is an evaluation function, as shown in FIG. Has a minus sign.

【0054】式(4)により算出したベクトルkを用い
て、式(3)における第2成分を求める。そして、式
(3)において、第1成分と第2成分との和を演算して
Δθを求める。上述したように、式(3)から算出した
Δθを現在の関節角度に加えることにより、第1関節乃
至第4関節の目標関節角度を求める。これにより、第5
関節15の関節軸方向15aと第7関節17の関節軸方
向17aとのずれをできるだけ小さくするように、第1
関節11乃至第4関節14の目標関節角度を算出するこ
とができる。
Using the vector k calculated by equation (4), the second component in equation (3) is determined. Then, in Expression (3), the sum of the first component and the second component is calculated to obtain Δθ. As described above, the target joint angles of the first to fourth joints are obtained by adding Δθ calculated from Expression (3) to the current joint angle. As a result, the fifth
In order to minimize the deviation between the joint axial direction 15a of the joint 15 and the joint axial direction 17a of the seventh joint 17, the first
The target joint angles of the joints 11 to 14 can be calculated.

【0055】以下にベクトルkの大きさの設定の仕方を
説明する。なお、ベクトルkの大きさは式(4)におけ
る各成分の自乗和の平方根として与えられる。
Hereinafter, a method of setting the magnitude of the vector k will be described. Note that the magnitude of the vector k is given as the square root of the sum of squares of each component in the equation (4).

【0056】ベクトルkの大きさは次のことを満たすよ
うに決められる。
The magnitude of the vector k is determined so as to satisfy the following.

【0057】(1) マニピュレータ1の先端部の3個
の関節である第5関節15乃至第7関節17の関節角度
が基準となる関節角度である基準関節角度から大きく離
れるにつれて、式(3)における第2成分を増大させる
ようにベクトルkの大きさを設定する。これにより、第
5関節15の関節軸方向15aと第7関節17の関節軸
方向17aとのずれが極度に大きくなることを防止する
ことができる。
(1) As the joint angles of the five joints 15 to 17 which are the three joints at the distal end of the manipulator 1 greatly deviate from the reference joint angle which is the reference joint angle, equation (3) is obtained. The magnitude of the vector k is set so as to increase the second component in. Accordingly, it is possible to prevent the deviation between the joint axis direction 15a of the fifth joint 15 and the joint axis direction 17a of the seventh joint 17 from becoming extremely large.

【0058】(2) マニピュレータ1の基端部の4個
の関節である第1関節11乃至第4関節14の関節角度
が基準関節角度から大きく離れるにつれて、式(3)に
おける第2成分を減少させるようにベクトルkの大きさ
を設定する。これにより、第1関節11乃至第4関節1
4の関節角度が基準関節角度から極度に離れることを防
止することができる。
(2) As the joint angles of the first to fourth joints 11 to 14, which are the four joints at the base end of the manipulator 1, greatly deviate from the reference joint angle, the second component in the equation (3) decreases. The magnitude of the vector k is set so that Thereby, the first joint 11 to the fourth joint 1
It is possible to prevent the joint angle of No. 4 from being extremely separated from the reference joint angle.

【0059】次に、上述の(1)および(2)を満たす
ようなベクトルkの大きさの設定について、式(6)乃
至式(10)を用いて具体的に説明する。
Next, the setting of the magnitude of the vector k that satisfies the above (1) and (2) will be specifically described using equations (6) to (10).

【0060】式(6)に、先端部の3個の関節である第
5関節15乃至第7関節17の関節角度の基準角度から
の偏差ベクトルΔθtを示す。
Equation (6) shows a deviation vector Δθt of the joint angles of the fifth joint 15 to the seventh joint 17, which are the three joints at the distal end, from the reference angle.

【0061】[0061]

【数6】 また、基端部の4個の関節である第1関節11乃至第4
関節14の関節角度の基準角度からの偏差ベクトルΔθ
rを示す。
(Equation 6) In addition, the first joints 11 to 4 which are the four joints at the base end are
Deviation vector Δθ of the joint angle of the joint 14 from the reference angle
r.

【0062】[0062]

【数7】 次に、先端部の3個の関節の関節角度の基準関節角度か
らの距離に相当する評価関数Ltを式(8)によって定
義する。
(Equation 7) Next, an evaluation function Lt corresponding to the distance between the joint angles of the three joints at the distal end from the reference joint angle is defined by equation (8).

【0063】[0063]

【数8】 また、基端部の4個の関節の関節角度の基準関節角度か
らの距離に相当する評価関数Lrを式(9)によって定
義する。
(Equation 8) Further, an evaluation function Lr corresponding to the distance of the joint angles of the four joints at the base end from the reference joint angle is defined by Expression (9).

【0064】[0064]

【数9】 式(8)および式(9)において、係数ai(1=1〜
7)は第i関節の関節角度の基準関節角度からの偏差を
どれだけ重視するかについての重み係数であり、正の定
数である。すべての関節について各関節角度の各基準関
節角度からの偏差を小さくするためには、例えば係数a
i(1=1〜7)=1のように、すべての成分を1に設
定すればよい。
(Equation 9) In the equations (8) and (9), the coefficient ai (1 = 1 to 1)
7) is a weighting coefficient indicating how much importance is placed on the deviation of the joint angle of the i-th joint from the reference joint angle, and is a positive constant. To reduce the deviation of each joint angle from each reference joint angle for all joints, for example, a coefficient a
All components may be set to 1 as in the case of i (1 = 1 to 7) = 1.

【0065】次に、式(10)に示すように、LtとL
rとの比λを求める。
Next, as shown in equation (10), Lt and Lt
The ratio λ to r is obtained.

【0066】[0066]

【数10】 最終的に、ベクトルkの大きさを比λに比例するように
設定する。
(Equation 10) Finally, the magnitude of the vector k is set so as to be proportional to the ratio λ.

【0067】このようにベクトルkの大きさを設定する
ことにより、第5関節15の関節軸方向15aと第7関
節17の関節軸方向17aとのずれが極度に大きくなる
ことを防止することができるとともに、基端部の4個の
関節の関節角度が基準関節角度から極度に離れることを
防止することができる。
By setting the magnitude of the vector k in this way, it is possible to prevent the deviation between the joint axis direction 15a of the fifth joint 15 and the joint axis direction 17a of the seventh joint 17 from becoming extremely large. In addition to this, it is possible to prevent the joint angles of the four joints at the base end from being extremely separated from the reference joint angles.

【0068】なお、第5関節15の関節軸の回りのロー
ル回転による関節角度の基準関節角度からの偏差と、第
7関節17の関節軸の回りのロール回転による関節角度
の基準関節角度からの偏差とは、互いに逆符号になるよ
うにすることによって、無理な姿勢を容易に回避するこ
とができる。また、手先21の装着された第7関節17
の関節軸の回りのロール回転のみが要求されるときは、
第5関節15の関節軸の回りのロール回転を止めたま
ま、第7関節17の関節軸の回りのロール回転の許容範
囲内で任意の姿勢をとることは何等支障がない。
The deviation of the joint angle from the reference joint angle due to the roll rotation of the fifth joint 15 around the joint axis, and the deviation of the joint angle due to the roll rotation of the seventh joint 17 around the joint axis from the reference joint angle. By setting the deviation to have the opposite sign to each other, an unreasonable posture can be easily avoided. In addition, the seventh joint 17 to which the hand 21 is attached
When only roll rotation about the joint axis of
There is no problem in taking an arbitrary posture within the allowable range of the roll rotation about the joint axis of the seventh joint 17 while the roll rotation about the joint axis of the fifth joint 15 is stopped.

【0069】本実施例の構成によれば、ベクトルkの大
きさを比λに比例するように設定したので、第5関節1
5の関節軸方向15aと第7関節17の関節軸方向17
aとのずれが極度に大きくなることを防止することがで
きるとともに、基端部の4個の関節の関節角度が基準関
節角度から極度に離れることを防止することができる。
According to the structure of this embodiment, the magnitude of the vector k is set so as to be proportional to the ratio λ.
5 joint axis direction 15a and seventh joint 17 joint axis direction 17
It is possible to prevent the deviation from “a” from becoming extremely large, and to prevent the joint angles of the four joints at the base end from being extremely apart from the reference joint angles.

【0070】この結果、第1関節乃至第7関節の関節角
度の基準関節角度からの各々の偏差の大きさが無理のな
い範囲にあるように選択することができる。そして、あ
る特定の関節の関節角度のみをいたずらに大きくするこ
とを防止することができる。
As a result, it is possible to select the joint angles of the first to seventh joints from the reference joint angle so that the magnitude of each deviation is within a reasonable range. And it can prevent that only the joint angle of a certain specific joint is unnecessarily increased.

【0071】また、これによって、ある特定の関節の関
節角度の可動範囲限界によって制限されることなく、マ
ニピュレータ10全体の可動範囲を大きくすることがで
きる。
Further, the movable range of the entire manipulator 10 can be increased without being limited by the movable range limit of the joint angle of a specific joint.

【0072】また、式(8)および式(9)における係
数ai(1=1〜7)の値を適当に設定することができ
るので、各関節の関節角度の基準関節角度からの偏差を
各々の偏差が有する許容範囲に応じて重みずけをするこ
とができる。
Also, since the values of the coefficients ai (1 = 1 to 7) in the equations (8) and (9) can be set appropriately, the deviation of the joint angle of each joint from the reference joint angle can be determined. Can be weighted according to the allowable range of the deviation of.

【0073】この結果、ある目標位置および目標姿勢を
実現する上で、例えば負担を少なくしたい関節にたいし
てはその負担を少なくすることができる。
As a result, in realizing a certain target position and target posture, for example, it is possible to reduce the burden on a joint whose load is to be reduced.

【0074】なお、ベクトルkの大きさを比λに比例す
るとしたが比λそのものに比例しなくとも、例えば比λ
の自乗に比例する等、比λに関する量に依存するように
設定すればよい。
It is noted that the magnitude of the vector k is proportional to the ratio λ.
May be set so as to depend on the quantity related to the ratio λ, such as proportional to the square of

【0075】[0075]

【発明の効果】以上説明したように、本発明の構成によ
れば、位置演算装置は目標姿勢を規定する第1関節乃至
第4関節の4個の関節の残余の一自由度を利用して、第
5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの
大きさを小さくするように作用する第1関節乃至第4関
節の関節角度の成分の大きさが所定範囲で変動するよう
に第1関節乃至第4関節の目標関節角度を演算する。こ
の結果、第1関節乃至第7関節の関節角度の基準関節角
度からの各々の偏差の大きさが所定範囲にあるようにす
ることができ、マニピュレータの目標位置および目標姿
勢を実現する関節角度の中で、マニピュレータの各関節
は無理のない関節角度をとることができる。
As described above, according to the configuration of the present invention, the position calculation device utilizes the remaining one degree of freedom of the four joints of the first to fourth joints that define the target posture. The magnitude of the component of the joint angle of the first to fourth joints that acts to reduce the magnitude of the deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint varies within a predetermined range. Thus, the target joint angles of the first to fourth joints are calculated. As a result, the magnitudes of the deviations of the joint angles of the first to seventh joints from the reference joint angle can be within a predetermined range, and the joint angles for realizing the target position and the target posture of the manipulator can be set. Inside, each joint of the manipulator can take a reasonable joint angle.

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

【図1】本発明のマニピュレータ制御装置の一実施例の
ブロック図。
FIG. 1 is a block diagram of an embodiment of a manipulator control device according to the present invention.

【図2】本発明のマニピュレータ制御装置の制御対象と
なるマニピュレータを示す斜視図(A)と、マニピュレ
ータの関節の構成関係を概略的に示す図(B)。
FIG. 2A is a perspective view showing a manipulator to be controlled by the manipulator control device of the present invention, and FIG. 2B is a diagram schematically showing the configuration of joints of the manipulator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 マニピュレータ制御装置 2 位置演算装置 3 姿勢演算装置 4 関節角度制御装置 5 第1成分 6 第2成分 10 マニピュレータ 11 第1関節 11a 第1関節の関節軸方向 12 第2関節 12a 第2関節の関節軸方向 13 第3関節 13a 第3関節の関節軸方向 14 第4関節 14a 第4関節の関節軸方向 15 第5関節 15a 第5関節の関節軸方向 16 第6関節 16a 第6関節の関節軸方向 17 第7関節 20 基台 21 手先 22 交点 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Manipulator control device 2 Position calculation device 3 Attitude calculation device 4 Joint angle control device 5 First component 6 Second component 10 Manipulator 11 First joint 11a Joint axis direction of first joint 12 Second joint 12a Joint axis of second joint Direction 13 Third joint 13a Joint axial direction of third joint 14 Fourth joint 14a Joint axial direction of fourth joint 15 Fifth joint 15a Joint axial direction of fifth joint 16 Sixth joint 16a Joint axial direction of sixth joint 17 7th joint 20 base 21 hand 22 intersection

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) B25J 3/00 - 3/10 B25J 9/10 - 9/22 B25J 13/00 - 13/08 B25J 19/02 - 19/06 G05B 19/18 - 19/46 ────────────────────────────────────────────────── ─── Continued on the front page (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) B25J 3/00-3/10 B25J 9/10-9/22 B25J 13/00-13/08 B25J 19 / 02-19/06 G05B 19/18-19/46

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】第1関節乃至第7関節の7個の関節を有す
るマニピュレータの制御装置であって、 前記マニピュレータの先端部の第5関節乃至第7関節の
3個の関節が互いにロール・ピッチ・ロールの関係にあ
るとともに第5関節乃至第7関節の関節軸が一つの交点
を有し、前記制御装置は前記交点の位置を目標位置に従
うようにかつ第7関節に装着された手先の姿勢を目標姿
勢に従うように各々制御するものであり、 前記制御装置は前記手先の目標姿勢の値より第5関節乃
至第7関節の目標関節角度を演算する姿勢演算装置と、 前記交点の目標位置の値より目標位置を実現するための
第1関節乃至第4関節の関節角度の成分と第5関節の関
節軸方向と第7関節の関節軸方向とのずれの大きさを小
さくするように作用する第1関節乃至第4関節の関節角
度の成分とを演算し、これらの成分を加算して第1関節
乃至第4関節の目標関節角度を演算する位置演算装置
と、 前記姿勢演算装置および前記位置演算装置の演算結果に
より第1関節乃至第7関節の関節角度を制御する関節角
度制御装置とを備え、 前記位置演算装置は、第5関節の関節軸方向と第7関節
の関節軸方向とのずれの大きさを小さくするように作用
する第1関節乃至第4関節の関節角度の成分の大きさ
を、第5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸方向との
ずれの大きさに応じて変動させることによって、第1関
節乃至第7関節の関節角度の所望に応じて基準として設
定される基準関節角度からの各々の偏差の大きさが所定
範囲にあるように第1関節乃至第4関節の目標関節角度
を演算することを特徴とするマニピュレータ制御装置。
1. A control device for a manipulator having seven joints of a first joint to a seventh joint, wherein three joints of a fifth joint to a seventh joint at a distal end of the manipulator are mutually roll-pitched. The joints of the fifth to seventh joints have one intersection in a roll relationship, and the control device causes the position of the intersection to follow a target position and the posture of the hand attached to the seventh joint. And a control unit that controls target joint angles of a fifth joint to a seventh joint based on the value of the target posture of the hand, It acts to reduce the component of the joint angle of the first to fourth joints for realizing the target position from the value, and to reduce the magnitude of the deviation between the joint axial direction of the fifth joint and the joint axial direction of the seventh joint. 1st to 4th joints And a position calculating device that calculates target joint angles of the first to fourth joints by adding these components, and a position calculating device that calculates a target joint angle of the first to fourth joints based on calculation results of the posture calculating device and the position calculating device. A joint angle control device that controls joint angles of the first to seventh joints, wherein the position calculation device reduces the size of a deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint. By changing the magnitude of the component of the joint angle of the first to fourth joints acting in accordance with the magnitude of the deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint, The joint angles of the first to seventh joints are set as a reference as desired.
A manipulator control device for calculating target joint angles of the first to fourth joints such that the magnitude of each deviation from the determined reference joint angle is within a predetermined range.
【請求項2】第5関節の関節軸方向と第7関節の関節軸
方向とのずれの大きさを小さくするように作用する第1
関節乃至第4関節の関節角度の成分の大きさは、第5関
節乃至第7関節の関節角度の基準関節角度からの距離と
第1関節乃至第4関節の関節角度の基準関節角度からの
距離との比またはこの比に関する量に比例することを特
徴とする請求項1に記載のマニピュレータ制御装置。
A first joint which acts to reduce the magnitude of deviation between the joint axis direction of the fifth joint and the joint axis direction of the seventh joint.
The magnitudes of the components of the joint angles of the joints to the fourth joint are determined based on the distances of the joint angles of the fifth to seventh joints from the reference joint angle and the distances of the joint angles of the first to fourth joints from the reference joint angle. The manipulator control device according to claim 1, wherein the manipulator control device is proportional to a ratio with respect to or a quantity related to the ratio.
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