JP5349478B2 - 逆運動学 - Google Patents
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Description
x = f(q) (数1a)
q = [f(x)]^-1 (数1b)
dx = J(q)dq (数1c)
J(q) = diff(f(q))/diff(q) (数1d)
dq = iJ(q)dxd (数2)
iJ(q) = Jt(q) [J(q)Jt(q) + kI]^-1 (数3a)
dq = Jt(q) [J(q)Jt(q) + kI]^-1 dxd (数3b)
iJ(q) = Jt(q) [J(q)Jt(q)]^-1 (数4a)
dq = Jt(q) [J(q)Jt(q)]^-1 dxd (数4b)
1)乗算手段
2)加算手段
3)減算手段
4)(m)×(n)次元のメモリブロックのようにヤコビ行列を記憶可能なヤコビ行列記憶手段
5)(dxd)を供給する手段
6)数学モデル、または、センサのなどの(q)を供給する手段
7)パラメータ(z(t-1))を記憶可能な(m)次元のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
8)パラメータ(dq(t-1))を記憶可能な(m)次元のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
9)パラメータ(tmp)を記憶可能な(m)次元のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
10)(A)を記憶可能な(m)次元のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段。もし、Aが恒等行列にスカラーを掛けたものなら、メモリーブロックは、当該スカラーのみを記憶するだけでよく、次元数は(1)になる。
11)(P)を記憶可能な(m)×(m)次元のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
dq = K[JK+I]^-1 dxd (数5)
e=dxd - J(q)dq (数6)
もし、(ロボット工学の制御、宇宙船の制御を含む典型的な応用例において)パラメータ依存性のあるヤコビ行列(以下、単にヤコビ行列とする)の逆行列を求めることが、抽出間隔として当業者に知られた所定の間隔で実行される場合、以下のアルゴリズムが使われる。
K: z(t) = Az(t-1) + e (数7a)
dq = Jt(q)Pz(t-1) (数7b)
z(t-1) = D(dt) z(t) (数8)
e = dxd - J(q)dq(t-1) (数9a)
z(t) = Az(t-1) + e (数9b)
dq = Jt(q) P z(t-1) (数9c)
dq(t-1) = D(dt) dq (数10)
逆運動学の別の種類の応用例では、ヤコビ行列の逆行列、あるいは、パラメータ依存性のある行列の逆行列は、リアルタイムな方法で、かつ、固定した抽出率を用いずに行われる。例えば、コンピュータグラフィックスや関節のあるキャラクターアニメーションに動きを統合する場合において、端点(あるいは、図1の先端部14、図2の先端部211,212,213,214,215)の新たな位置は、所定の割合(フレームレート)で規定される。端点、或いは、先端部が要求された位置に到達するまで、フレーム(あるいは、時間間隔)内に、逆運動のタスクは、連続して、数回解かれる。1フレーム内において連続して解を求めることを反復法と呼ぶ。端点、または、先端部が要求されるレベルに到達するまで、1フレーム内で、逆運動学の反復が実行される。各反復は、不規則な間隔でコンピュータプログラムによって実行される。ここで、不規則な間隔とは、ソフトウェアの負荷に依存して変化する固定されていない間隔である。これらの応用例において、以下の変更されたアルゴリズムが、逆運動学、即ち、dqの値、を計算するために各反復で用いられる。
dq = Jt(q) P z(t-1) (数9d)
z(t) = z(t-1) + h(Az(t-1) - J(q)dq) + h dxd (数9e)
12)hを記憶可能な次元(1)のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
13)bdqを記憶可能な次元(n)のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
14)dq0を記憶可能な次元(n)のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
15)dq_fullを記憶可能な次元(n)のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
15)Vを記憶可能な次元(n)のメモリブロックなどのパラメータ記憶手段
a1 = a2 = ... am = a = exp(0.05dt) (数12a)
a1 = a2 = ... am = a = exp(5dt) (数12b)
Mt*Pa + Pa*M - Pa*( B2*(V)^-1*B2t - s^-2*B1*B1t )*Pa + Ct*C = 0 (数13)
B2 = - J(q0) (数14)
m1 = m2 = ... mm = 0.05 (数17a)
m1 = m2 = ... mm = 5 (数17b)
v1 = v2 = ... = vn = 1.8 * 1.8 (数19a)
v1 = v2 = ... = vn = 1 * 1 (数19b)
ステップ1:(s)を大きな数、例えばs=100に設定する。
ステップ2:(s)の値に対して、式(数13)を解いて(Pa)を決定する。
ステップ3:もし、解が存在し、(Pa)が正定値であれば、(s)を、例えば(s)/2に減らす。そして、ステップ2からの処理を繰り返す。
ステップ4:もし、新たな(s)の値に対して、式(13)が正定値の解を生成しなければ、最後に正定値として得られた解(Pa)を式(数13)のリッカチ方程式の解とする。
P = (v1)*Pa (数20)
ステップ1:Aを選択する。Aは、一般的には、-0.0001から-1000の負の変数である。95
自由度をもつスケルトンの典型的な値はA=-20である。
ステップ2:現在の結合部(関節)の組合せにおけるヤコビ行列J(q)を取得し、以下の式を計算する。
JJnorm = sqrt ( trace(J(q)Jt(q)) )
ステップ3:Pを以下の条件を満たすように選択する。
P <= (pi/h - A) / Jjnorm
A、h、Pの適合:ステップ3より明らかなように、PとAとhとは、相互に関係している。例えば、典型的なアルゴリズムにおいて、運動学的な構造が定義されると(または、コンピュータアニメーションにおいてスケルトンフレームが定義されると)、以下のような処理が行われる。
ステップ1:Aは固定された、例えば、以下のような値である。
A = -20
ステップ2:hは固定された、例えば、以下のような値である。
h = 0.02
ステップ3:Pは以下のように計算される。
P <= (pi/h - A) / Jjnorm
ステップ4:上記の値に基づいて、先端部のダミー軌道が定義され、実行される。式(数9d)と(数9e)とを反復して計算して、所望の値に落ち着かせる。かかる反復処理の回数を監視し、反復数を減らすために、Pの値が増加するように調整される。もし、反応が不安定であった場合(dqが均一に大きくなる場合)、hの値を減少させる。
ステップ5:安定した反応が達成されたら、Aは、反復回数を改良するように調整される。Aは、典型的には、反復回数を減らすように増加させられる。
式(数9a)-(数9c)で定義されるフィードバック逆運動学アルゴリズムは、フィルタとして働き、乗算命令、加算命令のみを用いている。アルゴリズムのフィルタ形式は図5に示される。
ステップ0(初期化):
(z(k-1))を次元(m)のゼロベクトルと設定する。
(dq(t-1))を次元(n)のゼロベクトルと設定する。
ステップ1:現在の(q)におけるヤコビ行列(J(q))を計算する。ここで、(q)は、センサ(カメラ、モーター光学エンコーダー、モータータコメータ、など)の測定、あるいは、数学モデルなどから得られる。ヤコビ行列は、逆運動学が解かれるシステムの構造に依存している。一般的には、ヤコビ行列は、(q)に依存するスカラーと、sin(q)、cos(q)といった(q)に依存する三角関数とから計算される。ヤコビ行列は(m)×(n)次元である。数値形式の(q)を代入したヤコビ行列を計算し、 (J(q))の各要素を解き、(m)×(n)の数値形式の行列を生成する。
ステップ2:乗算手段、加算手段を用いて以下の計算を行う。計算結果を(dx)として(dx)記憶手段に記憶する。これにより、(m)次元のベクトル(dx)が得られる。
dx = J(q)dq(t-1)
ステップ3:(dxd)からステップ2の結果を引くことにより、式(数9a)の誤差を計算する。即ち、減算手段を用いて以下の計算を行う。
e = dxd - dx
記憶手段を用いて、この結果を(e)として記憶する。
tmp = Pz(t-1)
この演算は、記憶手段と、乗算手段と、加算手段とを用いる。(tmp)を記憶する手段を用いて、(tmp)を記憶する。ここで(tmp)は、(m)次元ベクトルである。
dq = Jt(q)tmp
この演算は、乗算手段と、加算手段と、(dq)を記憶するための手段を用いる。
z(t) = Az(t-1) + e
この演算は、加算手段と、乗算手段と、(z(t))を記憶するための手段とを用いる。
z(t-1) = z(t)
dq(t-1) = dq
この演算は、(z(t-1))と(dq(t-1))とを記憶する手段を用いる。これらの値は、(dt)秒後に行われる次回のIKアルゴリズムの反復において用いられる。
2*m*m + 2*m -1 + n*(2m-1) (数21)
変動サンプリング間隔を用いた応用例の場合、以下のアルゴリズムを用いることができる。
ステップ0、ステップ1:上記のステップ0,1と同じである。
ステップ3:式(数9d)を計算する。
dq = Jt(q) P z(t-1)
ステップ4:式(数9e)を計算する。
z(t) = z(t-1) + h(Az(t-1) - J(q)dq) + h dxd
ワイ. ナカムラ、エイチ. ハナフサ、「ロボットマニピュレータの制御における特異性に耐性のある逆運動学の解」、ジャーナルオブダイナミックシステムズ、108巻、1986年9月(Y. Nakamura and H. Hanafusa, “Inverse kinematic solutions with singularity robustness for robot manipulator control”, Journal of Dynamic systems, Measurements and Control, Vol. 108, Sep. 1986)
エー. エー. マシジェウスキ、ジェイ. エム. リーギン、「運動学的に冗長なマニピュレータの制御における並列アルゴリズムおよび並列アーキテクチャ」、ロボティックスアンドアニメーション、IEEE会議、10巻、4刷、1994年8月、405−414ページ(A.A. Maciejewski and J. M. Reagin, “Parallel Algorithm and Architecture for the control of kinematically redundant manipulators”, Robotics and Automation, IEEE Transactions on, Volume 10, Issue 4, Aug 1994 Page(s):405 - 414)
である。
関節拘束条件、関節制限、環境拘束条件、及び、動作再標的化を導入するために、以下のように、式(数2)に同次項(homogeneous term)を追加する。
dq = iJ(q)dxd + [I - iJ(q)J(q)]dq0
bdq = Jt(q) P bz(t-1) (数9f)
bz(t) = bz(t-1) + h(A bz(t-1) - J(q) bdq) + h J(q)dq0 (数9j)
dq_full = dq - bdq + dq0
dq0(k) = gain * ( bq(k) - q(k) )
は、関節変数(k)の現在の値であり、gainは、選択可能な正の定数である。
Claims (17)
- 少なくとも1つの変数パラメータ(dq)と、軌道(dx)とを有する複数の制御対象を有するシステムをリアルタイムに制御する方法であって、前記軌道(dx)は、変数行列を介して前記変数パラメータと関連しており、前記方法は、
前記変数パラメータ(dq)と、前記軌道(dx)とを関連づける制御転送行列(K)を定義し、
所望の軌道(dxd)と現在の軌道(dx)との差からなる誤差(e)に依存したフィードバック項を計算するフィードバックループを用いており、
(J)は行列であり、(Jt)は(J)の転置であり、(A)は負定値対角行列、又は、負の定数であり、(P)は正定値完全行列、正定値対角行列、又は、正の定数であり、(h)は、正の定数であり、(z)は状態変数からなるベクトルであり、(t)はサンプリング時間であり、以下の演算:
dq = Jt(q) P z(t-1)
z(t) = z(t-1) + h(Az(t-1) - J(q)dq) + h dxd
を用いて、前記少なくとも1つの変数パラメータ(dq)、および、前記ベクトル(z)を求めることを特徴とする方法。 - 前記変数行列はヤコビ行列であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記フィードバック項は、前記現在の軌道が前記所望の軌道に近づくように、複数回繰返して計算されることを特徴とする請求項1または2に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの変数パラメータ(dq)は、 前記制御転送行列(K)の出力値であり、次元(n)を有し、前記所望の軌道(dxd)は、次元(m)を有し、前記次元(m)は前記次元(n)以下であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一に記載の方法。
- (m)×(n)次元の前記制御転送行列(K)を選択し、
前記制御転送行列(K)の成分は、前記システムの特性に応じて決定することを特徴とする請求項4に記載の方法。 - 前記所望の軌道(dxd)に対する(dq)を生成する数値アルゴリズムは、フィルタ形式であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一に記載の方法。
- 前記数値アルゴリズムは、乗算に関する命令と、加算に関する命令と含むことを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 前記方法は、単一のプロセッサ、または、並列プロセッサによって実行されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一に記載の方法。
- 前記行列(J(q))のランクが低下したときにも、前記制御転送行列(K)は、前記少なくとも1つの変数パラメータ(dq)に対する解を与えるように構成されていることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一に記載の方法。
- 特異状態において、誤差(e)は、特異方向に増大し、前記制御転送行列(K)の全体構成は、軌道を特異状態から離れさせるような動きを生み出すゼロでない解として前記少なくとも1つの変数パラメータ(dq)を生成することを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一に記載の方法。
- 前記システムは、移動可能な対象物の画像を表示するよう構成されたディスプレイを有し、制御手段は、前記移動可能な前記対象物の関節を制御し、制御される前記対象物は、移動可能な要素を有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一に記載の方法。
- 前記システムは、ロボットと制御システムとを有するロボットシステムであり、前記被制御要素は、ロボットの一部であり、前記制御手段はロボットの関節を有することを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一に記載の方法。
- 前記制御手段は、コントロールモーメントジャイロシステムにおけるジャイロを有することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一に記載の方法。
- 請求項1乃至13のいずれか一に記載の前記方法に基づいて動作するように構成された制御システム。
- ロボットと、請求項14に記載の前記制御システムとを有する、ロボットの動きを制御するロボットシステム。
- 複数のジャイロと、請求項14に記載の前記制御システムとを有するコントロールモーメントジャイロシステム。
- 請求項1乃至10のいずれか一に前記方法を実行し、前記制御対象を画像化した画像データを生成するよう構成された画像生成手段と、前記画像データに基づいた画像を表示するよう構成された表示手段とを有する表示システム。
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