JP3817721B2 - Redundant degrees of freedom manipulator compliance controller - Google Patents

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マニピュレータと環境との接触を伴う作業において、冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、環境との接触を伴う冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御方式として、文献「冗長マクロ・マイクロ・マニピュレータのインピーダンス制御，日本ロボット学会誌 Vol.12, No.5, pp.766-722, 1994 」にみられる永井、吉川らの方式がある。この方式は、マニピュレータ（マクロ部）の先端に小型軽量のマニピュレータ（マイクロ部）をシリアルに接続した冗長マニピュレータ（以降、マクロ・マイクロマニピュレータと呼ぶ）に対して、マクロ部ベースに対するマイクロ部先端の運動、マクロ部ベースに対するマクロ部先端の運動それぞれにコンプライアンスモデル（運動モデル）を設定するものである。マイクロ部先端に加わる力信号を用いてマイクロ部先端の運動に対するコンプライアンス制御、マイクロ部からマクロ部先端に伝わる機構内部の力を用いて、マクロ部先端をコンプライアンス制御している。マクロ部、マイクロ部に対するコンプライアンスモデルの仮想剛性を等しく設定すれば、定常的にはマイクロ部が基準位置に戻るため、マイクロ部の狭い動作範囲を拡大することができる。また、マクロ部に対するコンプライアンスモデルの共振周波数をマイクロ部のそれよりも低く設定することにより、周波数の高い運動をマイクロ部に、周波数の低い運動をマクロ部に分配し、エネルギ効率効率がよい。しかし、永井、吉川らの方式は文献「Impedance Control : An Approach to Manipulation : Part.1-3, Trans. of the ASME J. of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.107, pp.1-24, 1985」のHogan の加速度ベースに基づく装置によりコンプライアンス制御を実現しており、制御則が複雑で演算量が多く、制御装置への実装が難しいという問題がある。また、マイクロマニピュレータは一種のエンドエフェクタであり、作業内容に応じて取り替える必要が生じる。永井、吉川らの方式は、マクロ部とマイクロ部の制御装置の独立性を考慮していないため、作業内容に応じてマイクロ部を取り替える場合、制御装置全体に修正を加えなければならないという問題がある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の冗長マニピュレータのコンプライアンス制御方式には、制御則が複雑で演算量が多く実際の制御装置に実装しにくい、冗長マニピュレータの一部の関節の組の構成を変更する場合には、制御装置全体に修正を加えなければならないという問題があった。
そこで本発明は、制御則を簡潔にし、マニピュレータのハードウエアの変更時には、そのサブマニピュレータの制御部のみを変更すればよい制御装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、冗長自由度マニピュレータをそれぞれ位置ベースのコンプライアンス制御が施されたサブマニピュレータのＮ個（Ｎは２以上の整数）の直列接続とみなし、冗長自由度マニピュレータのベース部から数えて、ｋ番目のサブマニピュレータをサブマニピュレータｋ、サブマニピュレータｋの位置制御系を位置制御系ｋと表したとき、２以上Ｎ以下のｋに対して、サブマニピュレータｋ−１の先端に加わる力によって、サブマニピュレータｋ−１の先端がその参照位置から移動した変位の影響が冗長自由度マニピュレータのベース座標系（サブマニピュレータ１のベース座標系）を基準にしてサブマニピュレータｋの先端に現れないように、位置制御系ｋの位置指令にサブマニピュレータｋ−１の前記変位を相殺する位置補正量を加えたことを特徴とするものである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図１〜図６により説明する。
図５は冗長自由度マニピュレータを示している。３０１はサブマニピュレータ１、３０２はサブマニピュレータ２、３０３はサブマニピュレータ３である。３０４はサブマニピュレータ２からサブマニピュレータ１に伝わる力・モーメントを検出するセンサ、３０５はサブマニピュレータ３からサブマニピュレータ２に伝わる力・モーメントを検出するセンサ、３０６は環境からサブマニピュレータ３の先端、すなわち冗長自由度マニピュレータ先端に加わる力・モーメントを検出するセンサである。３０７は冗長自由度マニピュレータのベース部（すなわちサブマニピュレータ１のベース部）である。サブマニピュレータ１、２、３の先端に固定された座標系をそれぞれΣ1,Σ2,Σ3 と表す。サブマニピュレータ１、２、３のベース座標系をそれぞれΣ0,Σ1,Σ2 とする。Σ0 は冗長自由度マニピュレータのベース座標系でもある。Σ0 を基準としたサブマニピュレータ１先端の位置（姿勢も含む）ベクトルを 0ｐ1 、Σ1 を基準としたサブマニピュレータ２先端の位置ベクトルを 1ｐ2 、Σ2 を基準にしたサブマニピュレータ３先端の位置ベクトルを 2ｐ3 と表す。左側の数字は基準としている座標系を表している。また、サブマニピュレータ１、２、３先端に加わる力（モーメントも含む）ベクトルをそれぞれｆ1,ｆ2,ｆ3 と表す。
【０００６】
図１〜図３は本発明のコンプライアンス制御装置を実施する装置の構成を表している。
図１〜図３において、１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｃはそれぞれサブマニピュレータ１、２、３のコンプライアンス制御系（以降、サブマニピュレータｋのコンプライアンス制御系をコンプライアンス制御系ｋと呼ぶ）を表す。１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃはそれぞれサブマニピュレータ１、２、３の位置制御系（以降、サブマニピュレータｋの位置制御系を位置制御系ｋと呼ぶ）を表す。位置制御系ｋはサブマニピュレータｋのベース座標系Σk-1 を基準にした先端位置 k-1ｐk の制御を行うものであり、その構成法はどんなものでもよい。１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃはそれぞれサブマニピュレータ１、２、３の運動モデル（以降、サブマニピュレータｋのコンプライアンスモデルを運動モデルｋと呼ぶ）を表す。運動モデルｋは
【０００７】
【数１】

Figure 0003817721
【０００８】
により、サブマニピュレータｋ先端の参照位置 k-1ｐｒk の位置修正量 k-1ｐｍk を計算する。ここで、ｍk,ｄk,ｋk は運動モデルｋのインピーダンスパラメータであり、それぞれ、仮想慣性、仮想粘性、仮想剛性である。
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃはそれぞれ、Σ1 からΣ0,Σ2 からΣ1,Σ3 からΣ2 への座標変換を行う手段、１０５ａ、１０５ｂはそれぞれ、Σ0 からΣ1,Σ1 からΣ2 への座標変換を行う手段を表す。また、k-1 Ｒk はΣk からΣk-1 への座標変換行列を表すものとする。１０６ｂ、１０６ｃはそれぞれ、コンプライアンス制御系２、３にいて位置制御系２、３の参照位置の修正則の切り換を行う判断部である。
１０７ａ、１０７ｂはそれぞれサブマニピュレータ１、２間、サブマニピュレータ２、３間の信号の通信手段を表す。１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃはそれぞれサブマニピュレータ１、２、３の先端に加わる力（モーメントも含む）の検出手段である。
【０００９】
図１では、まず、コンプライアンス制御系ｋ−１（ｋ＝２，３）において、運動モデルｋ−１から得られる位置修正量 k-2ｐｍk-1 を、座標変換手段１０５ａあるいは１０５ｂを用いて、 k-1ｐｍk-1 に変換する。つぎに、コンプライアンス制御系ｋ−１から k-1ｐｍk-1 をコンプライアンス制御系ｋに通信手段１０７ａあるいは１０７ｂを用いて送信する。そして、コンプライアンス制御系ｋにおいて、判断部１０６ｂあるいは１０６ｃは k-1ｆk の各成分｛ k-1ｆk ｝i の絶対値を監視し、｛ k-1ｆk ｝i の絶対値がある閾値以上の場合にのみ、位置制御系ｋの位置指令ベクトル
｛ k-1ｐｄk ｝i ＝｛ k-1ｐｒk ｝i ＋｛ k-1ｐｍk ｝i
を
｛ k-1ｐｄk ｝i ＝｛ k-1ｐｒk ｝i ＋｛ k-1ｐｍk ｝i −｛ k-1ｐｍk-1 ｝i
に変更する。
【００１０】
図２では、まず、コンプライアンス制御系ｋ−１（ｋ＝２，３）において、位置偏差 k-2ｐｅk-1 を k-2ｐｅk-1 ＝ k-2ｐk-1 − k-2ｐｒk-1 ＋ k-2ｐｅk-2 により計算し（ただし、0 ｐｅ0 ＝０）、 k-2ｐｅk-1 を座標変換手段１０５ａあるいは１０５ｂを用いて k-1ｐｅk-1 に変換する。つぎに、コンプライアンス制御系ｋ−１から k-1ｐｅk-1 をコンプライアンス制御系ｋに通信手段１０７ａあるいは１０７ｂを用いて送信する。そして、コンプライアンス制御系ｋにおいて、判断部１０６ｂあるいは１０６ｃは k-1ｆk の各成分｛ k-1ｆk ｝i の絶対値を監視し、｛ k-1ｆk ｝i の絶対値がある閾値以上の場合にのみ、位置制御系ｋの位置指令ベクトル
｛ k-1ｐｄk ｝i ＝｛ k-1ｐｒk ｝i ＋｛ k-1ｐｍk ｝i
を
｛ k-1ｐｄk ｝i ＝｛ k-1ｐｒk ｝i ＋｛ k-1ｐｍk ｝i −｛ k-1ｐｅk-1 ｝i
に変更する。
【００１１】
図３では、まず、コンプライアンス制御系ｋ−１（ｋ＝２，３）から、 k-2ｆk-1, k-1Ｒk-2 をコンプライアンス制御系ｋに通信手段１０７ａあるいは１０７ｂを用いて送信する。コンプライアンス制御系ｋに、運動モデルｋに加えて運動モデルｋ−１も設け、コンプライアンス制御系ｋにおいて、運動モデルｋ−１と k-2ｆk-1 から位置修正量 k-2ｐｍk-1 を計算し、 k-2ｐｍk-1 を座標変換手段１０５ａあるいは１０５ｂを用いて k-1ｐｍk-1 に変換する。そして、コンプライアンス制御系ｋにおいて、判断部１０６ｂあるいは１０６ｃは k-1ｆk の各成分｛ k-1ｆk ｝i の絶対値を監視し、｛ k-1ｆk ｝i の絶対値がある閾値以上の場合にのみ、位置制御系ｋの位置指令ベクトル
｛ k-1ｐｄk ｝i ＝｛ k-1ｐｒk ｝i ＋｛ k-1ｐｍk ｝i
を
｛ k-1ｐｄk ｝i ＝｛ k-1ｐｒk ｝i ＋｛ k-1ｐｍk ｝i −｛ k-1ｐｍk-1 ｝i
に変更する。
図１から図３では、サブマニピュレータが３個の場合の実施の形態を示したが、本発明は、サブマニピュレータの数が２以上の全ての整数の場合に対して、全く同様にして拡張できる。また、各サブマニピュレータのコンプライアンス制御系を、図１から図３のいづれかの手法の任意の組み合わせとしてもよい。
また、サブマニピュレータｋ先端に加わる力の検出手段から得られる力信号から、サブマニピュレータｋ＋１以降の重力による影響を差し引く手段を各サブマニピュレータのコンプライアンス制御系に追加してもよい。
図４において、２０１はサブマニピュレータｋの先端に加わる力信号からサブマニピュレータｋ−１の先端に加わる力を計算する手段の構成を表している。２０２はサブマニピュレータｋの有効慣性行列、２０３はサブマニピュレータｋのコリオリ・遠心力を表すベクトルである。２０４はΣk からΣk-1 への座標変換を行う手段、２０５はΣ0 からΣk-1 への座標変換を行う手段、２０６はサブマニピュレータｋ−１、ｋ間の信号の通信を行う手段である。２０５はサブマニピュレータｋ−１から、k-1Ｒ0を送信すことにより計算可能となる。２０７はサブマニピュレータｋの先端に加わる力を計測する手段である。２０８はΣ0 を基準にしたサブマニピュレータｋ先端の加速度を計測あるいは推定あるいは計算する手段である。サブマニピュレータｋ先端に加わる力k-1 ｆk 、先端の加速度k-1 ａk 、有効慣性Ｍk とコリオリ・遠心力Ｈk を用いて、サブマニュレータｋー１先端に加わる力は、
k-1ｆk-1 ＝ k-1ｆk −Ｍk k-1 ａk −Ｈk
と計算される。サブマニピュレータｋにおいて、２０１によって計算されたサブマニピュレータｋ−１先端に加わる力k-1 ｆk-1 を、通信手段２０６を用いてサブマニピュレータｋー１に送信することにより、サブマニピュレータｋー１先端に加わる力の計測手段を取り除くことが可能となる。また、この手段２０１を追加することによって、図３において、サブマニピュレータｋ−１からサブマニピュレータｋ−１先端に加わる力をサブマニピュレータｋに送信する必要がなくなる。さらに、２０１を各サブマニピュレータのコンプライアンス制御系に追加することにより、最先端のサブマニピュレータの力計測手段のみを用いて本方式を構成することが可能となる。
【００１２】
本発明は、最先端のサブマニピュレータを図４のような多指多関節ハンドとしたものにも適用できる。図６において、４０１、４０２、４０３はそれぞれ第１、２、３の指である。４０４、４０５、４０６はそれぞれ第１、２、３の指先に加わる力の計測手段である。４０７はベース部、４０８は把持物体である。多指多関節ハンドの各指の制御を物体物体４０８の把持力を制御する部分と、把持物体４０８に加わる外力に対する協調制御部分に分割し、把持物体４０８に加わる外力に対する協調制御に運動モデルを設け、位置制御系をベースにしたコンプライアンス制御を構成することにより、本発明を容易に適用することができる。その際、４０４、４０５、４０６の指先力計測手段から得られる各指の力信号を、各指が発生している把持物体４０８の把持力と把持物体４０８に加わる外力とに分解すればよい。
本発明の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置を適用することにより、ベース座標系Σ0 を基準にした各サブマニピュレータの先端の運動が、各サブマニピュレータに設定した運動モデルに一致する。各運動モデルの仮想剛性、仮想慣性などを適切に設定することにより、サブマニピュレータの狭い動作範囲を拡大したり、各サブマニピュレータの外力に対する運動の周波数分離が可能となる。さらに、本発明は各サブマニピュレータにおける従来の位置制御ベースのコンプライアンス制御系に簡単な修正を加え、各サブマニピュレータ間に信号の通信手段を設けただけの非常に簡単な構成であるため、制御装置への実装が容易で、一部のサブマニピュレータの変更にも容易に対処できる。
【００１３】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、冗長自由度マニピュレータをそれぞれ位置ベースのコンプライアンス制御が施されたサブマニピュレータのＮ個（Ｎは２以上の整数）の直列接続とみなし、冗長自由度マニピュレータのベース部から数えて、ｋ番目のサブマニピュレータをサブマニピュレータｋ、サブマニピュレータｋの位置制御系を位置制御系ｋと表したとき、２以上Ｎ以下のｋに対して、サブマニピュレータｋ−１の先端に加わる力によって、サブマニピュレータｋ−１の先端がその参照位置から移動した変位の影響が、冗長自由度マニピュレータのベース座標系（サブマニピュレータ１のベース座標系）を基準にしてサブマニピュレータｋの先端に現れないように、位置制御系ｋの位置指令にサブマニピュレータｋ−１の前記変位を相殺する位置補正量を加えたため、従来の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御方式に比べて、制御則が非常に簡潔、制御装置の分散化が可能、ゆえに制御則の実装が非常に容易になり、さらに、サブマニピュレータのハードウエアの変更時には、そのサブマニピュレータの制御部のみを変更すればよいので、サブマニピュレータの変更も容易になり、実用的な冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御系が実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の制御系の構成図
【図２】本発明の制御系の構成図
【図３】本発明の制御系の構成図
【図４】サブマニピュレータｋの先端に加わる力からサブマニピュレータｋ−１先端に加わる力を計算する手段の構成図
【図５】冗長自由度マニピュレータの概形図
【図６】多指多関節ハンドの概形図
【符号の説明】
１０１ａ サブマニピュレータ１のコンプライアンス制御系
１０１ｂ サブマニピュレータ２のコンプライアンス制御系
１０１ｃ サブマニピュレータ３のコンプライアンス制御系
１０２ａ サブマニピュレータ１の位置制御系
１０２ｂ サブマニピュレータ２の位置制御系
１０２ｃ サブマニピュレータ３の位置制御系
１０３ａ サブマニピュレータ１の運動モデル
１０３ｂ サブマニピュレータ２の運動モデル
１０３ｃ サブマニピュレータ３の運動モデル
１０４ａ Σ1 からΣ0 への座標変換を行う手段
１０４ｂ Σ2 からΣ1 への座標変換を行う手段
１０４ｃ Σ3 からΣ2 への座標変換を行う手段
１０５ａ Σ0 からΣ1 への座標変換を行う手段
１０５ｂ Σ1 からΣ2 への座標変換を行う手段
１０６ｂ コンプライアンス制御系２において参照位置の修正則の切り換を行う判断部
１０６ｃ コンプライアンス制御系３において参照位置の修正則の切り換を行う判断部
１０７ａ サブマニピュレータ１、２間の信号の通信を行う手段
１０７ｂ サブマニピュレータ２、３間の信号の通信を行う手段
１０８ａ サブマニピュレータ１先端に加わる力の計測手段
１０８ｂ サブマニピュレータ２先端に加わる力の計測手段
１０８ｃ サブマニピュレータ３先端に加わる力の計測手段
２０１ サブマニピュレータｋの先端に加わる力からサブマニピュレータｋ−１先端に加わる力を計算する手段の構成図
２０２ サブマニピュレータｋの有効慣性
２０３ サブマニピュレータｋのコリオリ・遠心力ベクトル
２０４ Σk からΣk-1 への座標変換を行う手段
２０５ Σ0 からΣk-1 への座標変換を行う手段
２０６ サブマニピュレータｋ−１、ｋ間の信号の通信を行う手段
２０７ サブマニピュレータｋ先端に加わる力の計測手段
２０８ サブマニピュレータｋ先端のΣ0 を基準にした加速度の計測あるいは推定あるいは計算手段
３０１ サブマニピュレータ１
３０２ サブマニピュレータ２
３０３ サブマニピュレータ３
３０４ サブマニピュレータ１先端に加わる力の計測手段
３０５ サブマニピュレータ２先端に加わる力の計測手段
３０６ サブマニピュレータ３先端に加わる力の計測手段
３０７ 冗長自由度マニピュレータのベース部
４０１ 第１の指
４０２ 第２の指
４０３ 第３の指
４０４ 第１の指先に加わる力の計測手段
４０５ 第２の指先に加わる力の計測手段
４０６ 第３の指先に加わる力の計測手段
４０７ 多指多関節ハンドのベース部
４０８ 多指多関節ハンドの把持物体[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a compliance control device for a redundant degree-of-freedom manipulator in work involving contact between a manipulator and an environment.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as a compliance control method for redundant freedom manipulators with contact with the environment, the document "Redundant Macro / Micro Manipulator Impedance Control, Journal of the Robotics Society of Japan Vol.12, No.5, pp.766-722, 1994" Nagai, Yoshikawa et al. In this method, the movement of the tip of the micro part relative to the base of the macro part is compared to a redundant manipulator (hereinafter referred to as a macro micromanipulator) in which a small and lightweight manipulator (micro part) is serially connected to the tip of the manipulator (macro part). A compliance model (motion model) is set for each motion of the tip of the macro portion relative to the macro portion base. Compliance control is performed for the movement of the tip of the micro unit using a force signal applied to the tip of the micro unit, and compliance control is performed on the tip of the macro unit using a force inside the mechanism transmitted from the micro unit to the tip of the macro unit. If the virtual rigidity of the compliance model for the macro part and the micro part is set to be equal, the micro part returns to the reference position in a steady state, so that the narrow operation range of the micro part can be expanded. Also, by setting the resonance frequency of the compliance model for the macro part lower than that of the micro part, motion with a high frequency is distributed to the micro part, and motion with a low frequency is distributed to the macro part, so that energy efficiency is good. However, the method of Nagai, Yoshikawa et al. Is based on the literature `` Impedance Control: An Approach to Manipulation: Part.1-3, Trans. Of the ASME J. of Dynamic Systems, Measurement, and Control, Vol.107, pp.1-24. 1985, Hogan's device based on the acceleration base realizes compliance control, and there are problems that the control law is complicated, the amount of calculation is large, and it is difficult to implement in the control device. The micromanipulator is a kind of end effector and needs to be replaced depending on the work contents. The method of Nagai, Yoshikawa et al. Does not consider the independence of the control unit of the macro unit and the micro unit, so there is a problem that when the micro unit is replaced according to the work content, the entire control unit must be modified. is there.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
The conventional compliance control method for redundant manipulators has a complicated control law, has a large amount of calculation, and is difficult to implement in an actual control device. There was a problem that had to be corrected.
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a control device that simplifies the control rule and only changes the control unit of the submanipulator when the hardware of the manipulator is changed.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention regards a redundant degree-of-freedom manipulator as a series connection of N pieces (N is an integer of 2 or more) of sub-manipulators each subjected to position-based compliance control. When the k-th submanipulator is represented as submanipulator k and the position control system of submanipulator k is represented as position control system k, the submanipulator k-1 The influence of the displacement of the tip of the submanipulator k-1 moved from its reference position by the force applied to the tip is based on the base coordinate system of the redundant degree of freedom manipulator (the base coordinate system of the submanipulator 1). The displacement of the submanipulator k-1 in the position command of the position control system k. It is characterized in that the addition of position correction amount for canceling.
[0005]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 5 shows a redundant degree-of-freedom manipulator. Reference numeral 301 denotes a submanipulator 1, 302 a submanipulator 2, and 303 a submanipulator 3. 304 is a sensor for detecting the force / moment transmitted from the submanipulator 2 to the submanipulator 1, 305 is a sensor for detecting the force / moment transmitted from the submanipulator 3 to the submanipulator 2, and 306 is the tip of the submanipulator 3 from the environment, that is, redundant. This is a sensor that detects the force and moment applied to the tip of a manipulator with freedom. Reference numeral 307 denotes a base portion of the redundant degree-of-freedom manipulator (that is, the base portion of the sub-manipulator 1). The coordinate systems fixed to the tips of the submanipulators 1, 2, and 3 are represented as Σ1, Σ2, and Σ3, respectively. The base coordinate systems of the submanipulators 1, 2, and 3 are Σ0, Σ1, and Σ2, respectively. Σ0 is also the base coordinate system of the redundant degree-of-freedom manipulator. The position (including posture) vector of the tip of the submanipulator 1 with respect to Σ0 is 0p1, the position vector of the tip of the submanipulator 2 with respect to Σ1 is 1p2, the position vector of the submanipulator 3 with respect to Σ2 is 2p3 To express. The numbers on the left represent the reference coordinate system. The force (including moment) vectors applied to the tips of the submanipulators 1, 2, and 3 are represented as f1, f2, and f3, respectively.
[0006]
1 to 3 show the configuration of an apparatus that implements the compliance control apparatus of the present invention.
1 to 3, reference numerals 101a, 101b, and 101c denote compliance control systems of the submanipulators 1, 2, and 3 (hereinafter, the compliance control system of the submanipulator k is referred to as a compliance control system k). Reference numerals 102a, 102b, and 102c denote position control systems of the submanipulators 1, 2, and 3 (hereinafter, the position control system of the submanipulator k is referred to as a position control system k). The position control system k performs control of the tip position k-1pk with reference to the base coordinate system Σk-1 of the submanipulator k, and any configuration method may be used. Reference numerals 103a, 103b, and 103c denote motion models of the submanipulators 1, 2, and 3 (hereinafter, the compliance model of the submanipulator k is referred to as a motion model k). The motion model k is [0007]
[Expression 1]
Figure 0003817721
[0008]
Thus, the position correction amount k-1pmk of the reference position k-1prk at the tip of the submanipulator k is calculated. Here, mk, dk, and kk are impedance parameters of the motion model k, and are virtual inertia, virtual viscosity, and virtual rigidity, respectively.
Reference numerals 104a, 104b, and 104c denote means for performing coordinate conversion from Σ1 to Σ0, Σ2 to Σ1, and Σ3 to Σ2, respectively, and 105a and 105b denote means for performing coordinate conversion from Σ0 to Σ1, Σ1 to Σ2, respectively. Further, k-1 Rk represents a coordinate transformation matrix from Σk to Σk-1. Reference numerals 106b and 106c denote determination units that switch the reference position correction rules of the position control systems 2 and 3 in the compliance control systems 2 and 3, respectively.
Reference numerals 107a and 107b denote signal communication means between the submanipulators 1 and 2 and between the submanipulators 2 and 3, respectively. Reference numerals 108a, 108b, and 108c are detection means for the force (including moment) applied to the tips of the submanipulators 1, 2, and 3, respectively.
[0009]
In FIG. 1, first, in the compliance control system k-1 (k = 2, 3), the position correction amount k-2pmk-1 obtained from the motion model k-1 is converted into k using the coordinate conversion means 105a or 105b. Convert to -1pmk-1. Next, compliance control systems k-1 to k-1pmk-1 are transmitted to the compliance control system k using the communication means 107a or 107b. In the compliance control system k, the determination unit 106b or 106c monitors the absolute value of each component {k-1fk} i of k-1fk, and only when the absolute value of {k-1fk} i is greater than a certain threshold value. , Position command vector {k-1pdk} i = {k-1prk} i + {k-1pmk} i of the position control system k
{K-1pdk} i = {k-1prk} i + {k-1pmk} i- {k-1pmk-1} i
Change to
[0010]
In FIG. 2, first, in the compliance control system k-1 (k = 2, 3), the position deviation k-2pek-1 is changed to k-2pek-1 = k-2pk-1-k-2prk-1 + k-2pek. -2 (where 0 pe0 = 0), and k-2 pek-1 is converted to k-1 pek-1 using the coordinate conversion means 105a or 105b. Next, the compliance control systems k-1 to k-1pek-1 are transmitted to the compliance control system k using the communication means 107a or 107b. In the compliance control system k, the determination unit 106b or 106c monitors the absolute value of each component {k-1fk} i of k-1fk, and only when the absolute value of {k-1fk} i is greater than a certain threshold value. , Position command vector {k-1pdk} i = {k-1prk} i + {k-1pmk} i of the position control system k
{K-1pdk} i = {k-1prk} i + {k-1pmk} i- {k-1pek-1} i
Change to
[0011]
In FIG. 3, first, k-2fk-1, k-1Rk-2 is transmitted from the compliance control system k-1 (k = 2, 3) to the compliance control system k using the communication means 107a or 107b. The compliance control system k is provided with a motion model k-1 in addition to the motion model k. In the compliance control system k, a position correction amount k-2pmk-1 is calculated from the motion models k-1 and k-2fk-1, k-2pmk-1 is converted into k-1pmk-1 using the coordinate conversion means 105a or 105b. In the compliance control system k, the determination unit 106b or 106c monitors the absolute value of each component {k-1fk} i of k-1fk, and only when the absolute value of {k-1fk} i is greater than a certain threshold value. , Position command vector {k-1pdk} i = {k-1prk} i + {k-1pmk} i of the position control system k
{K-1pdk} i = {k-1prk} i + {k-1pmk} i- {k-1pmk-1} i
Change to
Although FIG. 1 to FIG. 3 show an embodiment in which there are three submanipulators, the present invention can be extended in exactly the same manner to the case where the number of submanipulators is all integers of 2 or more. . Further, the compliance control system of each submanipulator may be an arbitrary combination of any of the methods shown in FIGS.
Further, means for subtracting the influence of gravity after submanipulator k + 1 from the force signal obtained from the means for detecting the force applied to the tip of submanipulator k may be added to the compliance control system of each submanipulator.
In FIG. 4, reference numeral 201 denotes a configuration of means for calculating the force applied to the tip of the submanipulator k-1 from the force signal applied to the tip of the submanipulator k. 202 is an effective inertia matrix of the submanipulator k, and 203 is a vector representing the Coriolis / centrifugal force of the submanipulator k. 204 is a means for performing coordinate conversion from Σk to Σk−1, 205 is a means for performing coordinate conversion from Σ0 to Σk−1, and 206 is a means for performing signal communication between the submanipulators k−1 and k. 205 can be calculated by transmitting k-1R0 from the submanipulator k-1. Reference numeral 207 denotes a means for measuring the force applied to the tip of the submanipulator k. 208 is a means for measuring, estimating or calculating the acceleration of the tip of the submanipulator k with respect to Σ0. Using the force k-1 fk applied to the tip of the sub manipulator k, the acceleration k-1 ak of the tip, the effective inertia Mk and the Coriolis / centrifugal force Hk, the force applied to the tip of the sub manipulator k-1 is
k-1fk-1 = k-1fk-Mkk-1ak-Hk
Is calculated. In the submanipulator k, the force k-1 fk-1 applied to the tip of the submanipulator k-1 calculated by 201 is transmitted to the submanipulator k-1 using the communication means 206, so that the tip of the submanipulator k-1 It becomes possible to remove the means for measuring the force applied to the. Further, by adding this means 201, it is not necessary to transmit the force applied from the submanipulator k-1 to the tip of the submanipulator k-1 to the submanipulator k in FIG. Furthermore, by adding 201 to the compliance control system of each submanipulator, it is possible to configure this method using only the state-of-the-art submanipulator force measurement means.
[0012]
The present invention can also be applied to a state-of-the-art submanipulator that is a multi-finger multi-joint hand as shown in FIG. In FIG. 6, 401, 402, and 403 are the first, second, and third fingers, respectively. Reference numerals 404, 405, and 406 denote force measuring means applied to the first, second, and third fingertips, respectively. Reference numeral 407 denotes a base portion, and 408 denotes a gripping object. The control of each finger of the multi-finger multi-joint hand is divided into a part for controlling the gripping force of the object object 408 and a cooperative control part for the external force applied to the gripping object 408, and the motion model is used for cooperative control for the external force applied to the gripping object 408. By providing compliance control based on the position control system, the present invention can be easily applied. At this time, the force signal of each finger obtained from the fingertip force measuring means 404, 405, 406 may be decomposed into the gripping force of the gripping object 408 generated by each finger and the external force applied to the gripping object 408.
By applying the compliance control device for a redundant degree-of-freedom manipulator of the present invention, the motion of the tip of each submanipulator with reference to the base coordinate system Σ0 matches the motion model set for each submanipulator. By appropriately setting the virtual stiffness, virtual inertia, and the like of each motion model, it is possible to expand the narrow operation range of the submanipulator and to separate the frequency of the motion from the external force of each submanipulator. Furthermore, the present invention has a very simple configuration in which a simple correction is made to the conventional position control-based compliance control system in each submanipulator and a signal communication means is provided between the submanipulators. Can be easily implemented, and can easily cope with changes in some submanipulators.
[0013]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the redundant degree-of-freedom manipulator is regarded as a series connection of N (N is an integer of 2 or more) sub-manipulators each subjected to position-based compliance control. When the k-th submanipulator is represented as submanipulator k and the position control system of submanipulator k is represented as position control system k, the submanipulator k-1 The influence of the displacement of the tip of the submanipulator k-1 moved from its reference position by the force applied to the tip is based on the base coordinate system of the redundant degree of freedom manipulator (the base coordinate system of the submanipulator 1). The displacement of the submanipulator k-1 in the position command of the position control system k so as not to appear at the tip. Compared with the conventional redundancy freedom manipulator compliance control method, the control law is very simple and the control device can be distributed, so the implementation of the control law becomes very easy. Furthermore, when changing the hardware of a submanipulator, it is only necessary to change the control unit of the submanipulator. Therefore, the submanipulator can be easily changed, and a practical redundancy freedom manipulator compliance control system can be realized. There is.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a control system of the present invention. FIG. 2 is a block diagram of a control system of the present invention. FIG. 3 is a block diagram of a control system of the present invention. Configuration diagram of the means for calculating the force applied to the tip of the manipulator k-1 [FIG. 5] Schematic diagram of a redundant degree of freedom manipulator [FIG. 6] Schematic diagram of a multi-finger multi-joint hand [Explanation of symbols]
101a Compliance control system 101b of submanipulator 1 Compliance control system 101c of submanipulator 2 Compliance control system 102a of submanipulator 3 Position control system 102b of submanipulator 1 Position control system 102c of submanipulator 2 Position control system 103a of submanipulator 3 Sub Motion model 103b of manipulator 1 motion model 103c of submanipulator 2 motion model 104a of submanipulator 3 means 104b for performing coordinate transformation from Σ1 to Σ0 104c means for performing coordinate transformation from Σ2 to Σ1 coordinate transformation from Σ3 to Σ2 Means to perform 105a Means to perform coordinate conversion from Σ0 to Σ1 105b Means to perform coordinate conversion from Σ1 to Σ2 Switch of reference position correction law in compliance control system 2 Determining unit 106c determining unit 107a for switching a reference position correction rule in compliance control system 3a means for performing signal communication between submanipulators 1 and 107b means for performing signal communication between submanipulators 2 and 3 108a Force measuring means 108b applied to the tip of the submanipulator 1 Force measuring means 108c applied to the tip of the submanipulator 2 Force measuring means 201 applied to the tip of the submanipulator 3 From the force applied to the tip of the submanipulator k to the tip of the submanipulator k-1 Structure 202 of means for calculating applied force 202 Effective inertia 203 of submanipulator k Coriolis / centrifugal force vector 204 of submanipulator k Means 205 for performing coordinate transformation from Σk to Σk-1 Coordinate transformation from Σ0 to Σk-1 Means for Performing 206 Submanipulator k-1 Applied to the means 207 sub manipulator k tip communicates signals between k force measuring means 208 sub-manipulator k measurement of acceleration relative to the Σ0 tip or estimated or calculated unit 301 sub-manipulator 1
302 Submanipulator 2
303 Submanipulator 3
304 Force measuring means applied to the tip of the sub manipulator 1 305 Force measuring means applied to the tip of the sub manipulator 2 306 Force measuring means applied to the tip of the sub manipulator 3 307 Redundant degree of freedom manipulator base 401 First finger 402 Second Finger 403 third finger 404 force measuring means 405 applied to the first fingertip force measuring means 406 applied to the second fingertip force measuring means 407 applied to the third fingertip 407 base part 408 of multi-finger articulated hand Grasping object of finger articulated hand

Claims (8)

マニピュレータに、そのベース座標系を基準にした先端の位置制御系を構成し、マニピュレータ先端に加わる力を計測あるいは推定あるいは計算する手段を設け、先端に力が加わった際の、先端の参照位置を基準にした運動が、マス、ダンパ、バネ要素で構成される運動モデルの運動に一致するように、先端に加わる力、前記運動モデルを用いて先端参照位置を修正した値を前記位置制御系の位置指令とするコンプライアンス制御系を構成したマニピュレータをＮ個（Ｎは２以上の整数）直列に接続した冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置において、
前記冗長自由度マニピュレータのベース部から数えて、ｋ番目のマニピュレータをサブマニピュレータｋ、サブマニピュレータｋの位置制御系を位置制御系ｋと表したとき、２以上Ｎ以下のｋに対して、サブマニピュレータｋ−１の先端に加わる力によって、前記サブマニピュレータｋ−１の先端がその参照位置から移動した変位の影響が、前記冗長自由度マニピュレータのベース座標系を基準にして前記サブマニピュレータｋの先端に現れないように、前記位置制御系ｋの位置指令に前記サブマニピュレータｋ−１の前記変位を相殺する位置補正量を加えたことを特徴とする冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置。The manipulator, constitute a much 置制 control systems of the tip relative to the the base coordinate system, a means for measuring or estimating or calculating the force applied to the manipulator tip is provided, when a force is applied to the tip, the reference tip The position control is based on the force applied to the tip and the value obtained by correcting the tip reference position using the motion model so that the motion based on the position matches the motion of the motion model composed of mass, damper, and spring element. In a compliance control device for a redundant degree-of-freedom manipulator in which N (N is an integer of 2 or more) serially connected manipulators constituting a compliance control system for system position commands are connected.
When the kth manipulator counted from the base part of the redundant degree-of-freedom manipulator is represented as a submanipulator k, and the position control system of the submanipulator k is represented as a position control system k, the submanipulator Due to the force applied to the tip of k-1, the influence of the displacement of the tip of the submanipulator k-1 from its reference position is applied to the tip of the submanipulator k based on the base coordinate system of the redundant degree of freedom manipulator. A compliance control apparatus for a redundant degree of freedom manipulator, wherein a position correction amount that cancels the displacement of the submanipulator k-1 is added to the position command of the position control system k so as not to appear. 前記サブマニピュレータｋのコンプライアンス制御系をコンプライアンス制御系ｋと表したとき、サブマニピュレータＮ先端に加わる力から、サブマニピュレータＮのエンドエフェクタあるいはハンドが把持した物体の重力による影響を補償した力を用いてコンプライアンス制御系Ｎを構成し、１以上Ｎ−１以下のｋに対して、前記サブマニピュレータｋ先端に加わる力から、前記サブマニピュレータｋ＋１以降の重力による影響を補償した力を用いてコンプライアンス制御系ｋを構成したことを特徴とする請求項１記載の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置。When the compliance control system of the submanipulator k is expressed as a compliance control system k, the force applied to the tip of the submanipulator N is used to compensate for the gravitational effect of the object gripped by the end effector of the submanipulator N or the hand. The compliance control system N is configured using a force that compensates for the influence of gravity after the submanipulator k + 1 from the force applied to the tip of the submanipulator k for k of 1 to N−1. The compliance control device for a redundant degree-of-freedom manipulator according to claim 1, wherein: 前記サブマニピュレータＮを多指多関節ハンドとした請求項１記載の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置。The compliance control apparatus for a redundant degree of freedom manipulator according to claim 1, wherein the sub-manipulator N is a multi-finger multi-joint hand. コンプライアンス制御系ｋの運動モデルを運動モデルｋ、サブマニピュレータｋのベース座標系をΣk-1 、Σk からΣn への座標変換行列を nＲk 、Σn を基準にしたサブマニピュレータｋ先端の位置、先端に加わる力ベクトルをそれぞれ nｐk 、 nｆk 、位置制御系ｋの参照位置ベクトル、位置指令ベクトルをそれぞれ k-1ｐｒk , k-1ｐｄk と表したとき、１以上Ｎ以下のｋに対して、サブマニピュレータｋの先端に加わる力 k-1ｆk 、運動モデルｋの伝達関数Ｃ k(s)、位置制御系ｋの参照位置ベクトル k-1ｐｒk を用いて、位置指令ベクトル k-1ｐｄk を
k-1ｐｍk ＝ Ｃk(s) k-1ｆk
k-1ｐｄk ＝ k-1ｐｒk ＋ k-1ｐｍk
と計算するコンプライアンス制御系ｋを構成した請求項１記載の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置において、
２以上Ｎ以下のｋに対して、コンプライアンス制御系ｋ、ｋ−１の間に信号の通信手段と、
前記コンプライアンス制御系ｋ−１において、 k-2ｆk-1 と運動モデルｋ−１から得られる位置修正量 k-2ｐｍk-1 を k-1ｐｍk-1 に変換する手段と、
前記コンプライアンス制御系ｋ−１から k-1ｐｍk-1 をコンプライアンス制御系ｋに前記通信手段を用いて送信し、コンプライアンス制御系ｋにおいて、k-1ｆk の絶対値がある閾値以上の場合にのみ、位置制御系ｋの位置指令ベクトル
k-1ｐｄk ＝ k-1ｐｒk ＋ k-1ｐｍk
を
k-1ｐｄk ＝ k-1ｐｒk ＋ k-1ｐｍk − k-1ｐｍk-1
に変更する手段と、を設けたことを特徴とする請求項１、２、または３記載の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置。The motion model of the compliance control system k is the motion model k, the base coordinate system of the submanipulator k is Σk-1, the coordinate transformation matrix from Σk to Σn is nRk, and the position of the tip of the submanipulator k with respect to Σn is added to the tip When the force vectors are expressed as npk and nfk, the reference position vector of the position control system k, and the position command vector as k-1prk and k-1pdk, respectively, the tip of the submanipulator k is 1 to N and less than k. Using the applied force k-1fk, the transfer function Ck (s) of the motion model k , and the reference position vector k-1prk of the position control system k, the position command vector k-1pdk is
k-1pmk = Ck (s) k-1fk
k-1 pdk = k -1 prk + k-1 pmk
In the compliance control device for a redundant degree of freedom manipulator according to claim 1, wherein the compliance control system k for calculating
For k of 2 or more and N or less, a signal communication means between the compliance control systems k and k-1,
In the compliance control system k-1, a means for converting a position correction amount k-2pmk-1 obtained from k-2fk-1 and a motion model k-1 into k-1pmk-1;
The compliance control system k-1 to k-1pmk-1 is transmitted to the compliance control system k using the communication means, and the position of the compliance control system k is only when the absolute value of k-1fk is greater than or equal to a certain threshold value. Position command vector for control system k
k-1 pdk = k -1 prk + k-1 pmk
The
k-1 pdk = k -1 prk + k-1 pmk-k-1 pmk-1
The compliance control apparatus for a redundant degree-of-freedom manipulator according to claim 1, 2, or 3, ２以上Ｎ以下のｋに対して、コンプライアンス制御系ｋ、ｋ−１の間に信号の通信手段と、コンプライアンス制御系ｋ−１において、位置偏差 k-2ｐｅk-1 を
k-2ｐｅk-1 ＝ k-2ｐk-1 − k-2ｐｒk-1 ＋ k-2ｐｅk-2
により計算する手段（ただし、0 ｐｅ0 ＝０）と、前記コンプライアンス制御系ｋ−１において k-2ｐｅk-1 を k-1ｐｅk-1 に変換する手段と、前記コンプライアンス制御系ｋ−１から k-1ｐｅk-1 を前記コンプライアンス制御系ｋに前記通信手段を用いて送信し、前記コンプライアンス制御系ｋにおいて、 k-1ｆk の絶対値がある閾値以上の場合にのみ、位置制御系ｋの位置指令ベクトル
k-1ｐｄk ＝ k-1ｐｒk ＋ k-1ｐｍk
を
k-1ｐｄk ＝ k-1ｐｒk ＋ k-1ｐｍk − k-1ｐｅk-1
に変更する手段と、を設けたことを特徴とする請求項４記載の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置。For k of 2 or more and N or less, a signal communication means between the compliance control systems k and k−1 and a positional deviation k−2pek−1 in the compliance control system k−1
k-2 peak-1 = k-2 peak-1-k- 2 peak-1 + k- 2 peak- 2
Means (however, 0 PE0 = 0) to more calculations and, means for converting the said compliance control system k-1 to k-2pek-1 to k-1pek-1, from said compliance control system k-1 k- 1pek-1 is transmitted to the compliance control system k using the communication means. In the compliance control system k, the position command vector of the position control system k is used only when the absolute value of k-1fk is greater than or equal to a certain threshold value.
k-1 pdk = k -1 prk + k-1 pmk
The
k-1 pdk = k -1 prk + k-1 pmk-k-1 pek-1
The compliance control apparatus for a redundant degree-of-freedom manipulator according to claim 4, further comprising: ２以上Ｎ以下のｋに対して、コンプライアンス制御系ｋ、ｋ−１の間に信号の通信手段と、
前記コンプライアンス制御系ｋ−１から、 k-2ｆk-1 、k-1 Ｒk-2 を前記コンプライアンス制御系ｋに前記通信手段を用いて送信し、前記コンプライアンス制御系ｋにおいて、運動モデルｋに加えて運動モデルｋ−１を設け、前記コンプライアンス制御系ｋにおいて、運動モデルｋ−１と k-2ｆk-1 から位置修正量 k-2ｐｍk-1 を計算する手段と、
k-2 ｐｍk-1 を k-1ｐｍk-1 に変換する手段と、
k-1 ｆk の絶対値がある閾値以上の場合にのみ、位置制御系ｋの位置指令ベクトル
k-1ｐｄk ＝ k-1ｐｒk ＋ k-1ｐｍk
を
k-1ｐｄk ＝ k-1ｐｒk ＋ k-1ｐｍk − k-1ｐｍk-1
に変更する手段と、を設けたことを特徴とする請求項４記載の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置。For k of 2 or more and N or less, a signal communication means between the compliance control systems k and k-1,
From the compliance control system k-1, k-2fk-1 and k-1 Rk-2 are transmitted to the compliance control system k using the communication means. In the compliance control system k, in addition to the motion model k A means for calculating a position correction amount k-2pmk-1 from the motion models k-1 and k-2fk-1 in the compliance control system k;
means for converting k-2 pmk-1 to k-1 pmk-1;
The position command vector of the position control system k only when the absolute value of k-1 fk is greater than or equal to a certain threshold value
k-1 pdk = k -1 prk + k-1 pmk
The
k-1 pdk = k -1 prk + k-1 pmk-k-1 pmk-1
The compliance control apparatus for a redundant degree-of-freedom manipulator according to claim 4, further comprising: 前記各サブマニピュレータのコンプライアンス制御系に、請求項４〜６のいづれかの手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置。The compliance control apparatus for a redundant degree of freedom manipulator according to claim 1, wherein the compliance control system of each of the submanipulators is provided with any of the means of claims 4-6. ２以上Ｎ以下の全てのｋに対して、コンプライアンス制御系ｋ、ｋ−１の間に信号の通信手段と、Σ0 を基準にしたサブマニピュレータｋ先端の加速度 0ａk を計測する手段を設け、コンプライアンス制御系ｋ−１から 1Ｒ0, 2Ｒ1,…, k-1 Ｒk-2 をコンプライアンス制御系ｋに前記通信手段を用いて送信し、前記コンプライアンス制御系ｋにおいて、サブマニピュレータｋの有効慣性Ｍk 、コリオリ・遠心力Ｈk 、0 ａk 、k-1 ｆk 、1 Ｒ0, 2Ｒ1,…, k-1 Ｒk-2 を用いて、前記サブマニュレータｋ−１先端に加わる力k-2ｆk-1 あるいは k-1ｆk-1 を計算する手段、を設け、前記コンプライアンス制御系ｋから k-2ｆk-1 あるいは k-1ｆk-1 を前記コンプライアンス制御系ｋ−１に前記通信手段を用いて送信することにより、前記サブマニピュレータｋ−１先端に加わる力の計測手段を取り除くことにより、前記コンプライアンス制御系ｋ−１から k-2ｆk-1 を前記コンプライアンス制御系ｋに送信する必要をなくしたことを特徴とする請求項４記載の冗長自由度マニピュレータのコンプライアンス制御装置。For two or more N or less of the total hand k, compliance control system k, and signal communication means between the k -1, the means for measuring the acceleration 0ak sub manipulator k tip relative to the Σ0 provided, compliance 1R0, 2R1,..., K-1 Rk-2 from the control system k-1 to the compliance control system k using the communication means. In the compliance control system k, the effective inertia Mk of the submanipulator k, Coriolis Using the centrifugal forces Hk, 0ak, k-1fk, 1R0, 2R1,..., K-1Rk-2, the force k-2fk-1 or k-1fk- 1 is provided, and k-2fk-1 or k-1fk-1 is transmitted from the compliance control system k to the compliance control system k-1 by using the communication means, whereby the submanipulator k -1 Add to the tip 5. The redundant degree-of-freedom manipulator according to claim 4, wherein it is not necessary to transmit the compliance control systems k-1 to k-2fk-1 to the compliance control system k by removing force measuring means. Compliance control device.
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