1【特許請求の範囲】【請求項１】ｎ自由度のマニピュレータであって、ｎ個の関節部を有し、前記ｎ個の関節部のうちのｋ個の関節部にアクチュエータを備え、残りｎ−ｋ個（ｋ＜ｎ−ｋ）の関節部に保持ブレーキを備えていることを特徴とするマニピュレータ【請求項２】ｎ自由度のマニピュレータであって、ｎ個の関節部を有し、前記ｎ個の関節部のうちのｋ個の関節部にアクチュエータを備え、残りｎ−ｋ個の関節部に保持ブレーキを備えるマニピュレータの操縦方法であっ10て、前記保持ブレーキを備えた関節部のうちｍ個（ｍ≦ｋ）の関節部の保持ブレーキを解放し、残りｎ−ｋ−ｍ個の関節部の保持ブレーキを作動した状態で関節間の動力学的干渉によりアクチュエータを有する関節のトルクまたは力によって前記ｍ個のブレーキを解放した関節に2角加速度または加速度を発生させて前記ブレーキを解放した関節の角度または変位を制御し、前記手順を少なくとも２回以上行ってｎ−ｋ個の保持ブレーキを備えた関
節の角度または変位を制御し、前記保持ブレーキを全て作動した状態ではアクチュエータを有する関節の角度または変位を前記アクチュエータにより制御することを特徴とするマニピュレータの制御方法【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］
この発明はｎ自由度のマニピュレータアームの位置制御をするための技術に関するものである。人間の手作業代行のため、多自由度のリンクからなるアームを有するロボットが開発され、人間の行う巧みな動作を実現するた
め、位置制御が行なわれている。
［従来の技術］

(2)3マニピュレータの最も基本的なハードウェア上の構成
は、リンク機構の各関節に対しその関節を駆動する１個のアクチュエータとその関節の回転の検出するセンサが対応するものである。従ってマニピュレータは通常各関節で実質的に独立の位置決め能力を持ち、マニピュレータの自由度とアクチュエータの個数は一致する。自由度の数に比べて、アクチュエータの数を減らすことを目的としてアクチュエータ数より多い自由度を制御する種々の手法が提案されているが、差動機構と対象物の拘束による方法や、関節間に動力伝達機構を設ける方法等、機構に依存するものが中心である。
しかし、機構に依存する上記従来の方法はマニピュレータの構造を複雑にし、これにともなって、価格が高価になりかつマニピュレータの重量を大きくするので、大きな駆動エネルギーを必要とする。
この点を解決するために、本件発明の発明者は先に新たなマニピュレータを提案した（昭和63年特許願第80079号）。この新たに提案されたマニピュレータはｎ自由度のマニピュレータであって、ｎ個の関節部を有し、前記ｎ個の関節部のうちのｋ個の関節部にアクチュエータを備え、残りｎ−ｋ個（ｋ≧ｎ−ｋ）の関節部に保持ブレーキを備えていることを特徴としており、マニピュレータ関節のアクチュエータ類を減少させる顕著な効果を発揮するものである。
［発明が解決しようとする課題］
しかし上記発明は関節の数ｎとアクチュエータの数ｋとの間に（ｋ≧ｎ−ｋ）のブレーキを備えるという制約があったので、これがアクチュエータ等の減少の制約となっている。
本件発明では上記の制約をなくすことによりマニピュレータ関節のアクチュエータ類をより一層減少させ、大幅なコストダウンを可能にし、また関節を軽量化することが可能であり、アクチュエータの小型化、省エネルギー化を可能とするマニピュレータ及びその制御方法を提供することを目的とするものである。
［課題を解決するための手段］
以下では関節を回転関節として述べるが、直動関節についても全く同様に適用できる。
この目的に対応して、この発明のマニピュレータは、ｎ自由度のマニピュレータであって、ｎ個の関節部を有し、前記ｎ個の関節部のうちのｋ個の関節部にアクチュエータを備え、残りｎ−ｋ個（ｋ＜ｎ−ｋ）の関節部に保持ブレーキを備えていることを特徴としている。
また、この発明のマニピュレータの制御方法は、ｎ自由度のマニピュレータであって、ｎ個の関節部を有し、前記ｎ個の関節部のうちのｋ個の関節部にアクチュエータを備え、残りｎ−ｋ個の関節部に保持ブレーキを備える
マニピュレータの操縦方法であって、前記保持ブレーキを備えた関節部のうちｍ個（ｍ≦ｋ）の関節部の保持ブレーキを解放し、残りｎ−ｋ−ｍ個の関節部の保持ブレ

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特公平６−７５８３５4ーキを作動した状態で関節間の動力学的干渉によりアクチュエータを有する関節のトルクまたは力によって前記ｍ個のブレーキを解放した関節に角加速度または加速度を発生させて前記ブレーキを解放した関節の角度または変位を制御し、前記手順を少なくとも２回以上行ってｎ−ｋ個の保持ブレーキを備えた関節の角度または変位を制御し、前記保持ブレーキを全て作動した状態ではアクチュエータを有する関節の角度または前記アクチュエータにより制御することを特徴としている。
［作用］
この発明のマニピュレータ及びマニピュレータの制御方
法では、ｋ個のアクチュエータのトルクによって（ｎ−ｋ）個の保持ブレーキのうちｍ個を解放した状態で保持ブレーキのみのｍ個の関節を含むｋ個の関節の角度を制御し、前記手順を少なくとも一回以上反復して保持ブレーキのみの（ｎ−ｋ）個の関節の角度を制御し、保持ブレーキを全て作動させた状態でアクチュエータを備えたｋ個の関節の角度を制御し、これによってマニピュレータの手先を任意の点から任意の点に移動させることができる。
［実施例］
以下、この発明の詳細を一実施例を示す図面について説明する。
マニピュレータの力学系が通常持っている非線形性・干渉性は各関節上に構成されたサーボ機構に対して外乱として働く。この外乱トルクを補償することがマニピュレータの制御における主要な問題の一つとなっている。ところが外乱トルクが発生するということは、他の関節の運動によって、それ自身はトルク発生能力を持たない関節の運動を引き起こすことができるということである。
この発明はアクチュエータを持たない非駆動関節を有するマニピュレータを、このような動力学的干渉性を利用して制御する技術に関するものである。
まず、原理を説明する。
第１図において、１はマニピュレータである。マニピュレータ１は複数のリンクｌ｛l1 ，l2 …ln ｝を関節Ｃ｛C1 ，C2 …Cn ｝で連結したｎ自由度をなしている。先端のリンクln はハンド２となっている。複数の関節Ｃ｛C1〜Cn ｝のうち、任意のｋ個の関節Ｃ｛C1 …Ci …｝にはアクチュエータＡ｛A1 …Aj …Ak ｝が備えられており、残余の（ｎ−ｋ）個の関節Ｃ｛C2 …Cn ｝には保持ブレーキＢ｛B1 …Bn‑k ｝が備えられている。
アクチュエータＡはそれぞれ隣り合うリンクを駆動して相対位置、相対角速度、相対角加速度を制御可能である。
保持ブレーキＢはそれぞれ隣り合うリンクの動きを固定、解放可能である。
ｎ自由度のマニピュレータを制御対象とする。そのうち
ｋ自由度の関節は通常のマニピュレータ同様、アクチュ
エータＡと角度センサで構成される能動関節とし、残り

(3)特公平６−７５８３５56nnｎ−ｋ自由度はアクチュエータを持たずに保持ブレーキ＊ ｑ∈R は関節角度ベクトル、ｕ∈R は関節トルクベクトnＢと角度センサのみからなる非駆動関節とする（Ｏ＜ｋル、ｇ（ｑ）∈R は重力項、n＜ｎ）。非駆動関節は、保持ブレーキOFFの状態では自ｈ（q, ）∈R はコリオリ・遠心力項、n×nn×n
由に回転することができる。また、保持ブレーキをONに
Ｍ（ｑ）∈Rは慣性行列、Γ∈Rは粘性摩擦行列
すると非駆動関節はその角度で固定される。
を表す。
非駆動関節の保持ブレーキをOFFにすると、能動関節のここでｑの要素のうち任意のｋ個の関節角を選んでψ∈k
運動に伴って発生する干渉トルクによって、間接的にそR とおく、そのうちで非駆動関節はｍ個であるとするの非駆動関節が制御できる。また、保持ブレーキをONに（Ｏ≦ｍ≦ｋ）。するとｋ個の能動関節のうちでその中m
すると、その非駆動関節に影響を与えることなく他の関に含まれない関節の数もｍ個になり、その角度をφ∈R節の角度を制御できる。更に、すべての非駆動関節の保 10 とおくと、ψ，φに含まれない残りｎ−ｋ−ｍ個の関節
n‑k‑m
持ブレーキをONにして固定すれば、通常のマニピュレーは全て非駆動関節であり、その角度をθ∈Rとおkタと同様に能動関節が制御できる。これらの制御モード
く。また、ｋ個の能動関節のトルクをτ∈R とおく。ψ
を組合せ、制御を行う関節を順次切換えてマニピュレーに属する非駆動関節のブレーキはOFF、θに属する非駆タ全体の位置・姿勢を制御する。
動関節のブレーキはONにする。ブレーキOFFの非駆動関マニピュレータの運動方程式は、節のブレーキトルクはゼロとおける。ブレーキONの非駆Ｍ（ｑ） ＋ｂ（q, ）＝ｕ(1)動関節のブレーキトルクをνとおく。q,uの要素の順序と表される。但し、を並べかえ、新たに、
ｂ（q, ）＝ｈ（q, ）＋Γ ＋ｇ（ｑ）＊とする。θに属する非駆動関節は固定されているから＝Ｏである。

Ｍ（ｑ）,b（q, ）もそれに対応して並べかえ、次のように区分する。

(4)7(2)，(3)を(1)に代入すると、
M11 ＋M12 ＋b1 （q, ）−τ＝Ｏ（4a）
M21 ＋M22 ＋b2 （q, ）＝Ｏ（4b）
M31 ＋M32 ＋b3 （q, ）−ν＝Ｏ（4c）(4a)，(4b)の（q, ）に各関節で計測された関節角及び角速度の現在値を代入すると、
30b1 （q, ），b2 （q, ）及びM11 ，M12 ，M21 ，M22 が求められる。更に角加速度 に目標値（＝ d ）を与えると、（4b）は に関する連立１次方程式とみなせる。係数行列M21 はφとψとの間の動力学的干渉を表わし、マニピュレータの構造や質量分布に依存する。M21 が正則ならば（4b）は一意に解くことができて、‑1‑1＝−M21 M22 d −M21 b2 （q, ）(5)(5)に(4a)を代入すると、‑1
τ＝（M21 −M11 M21 M22 ） d＋b1 （q, ）40‑1−M11 M21 b2 （q, ）(6)
こうして求められたトルクτを能動関節において発生す
れば、角加速度 ， d が得られる。すなわち、ｋ個の能動関節のトルクによって、ｍ個の非駆動関節を含むｋ個の関節の角加速度を任意に決定することができる。ｍ個の能動関節の角加速度 は ｄ によって決定され、任意に与えることはできない。またｎ−ｋ−ｍ個の非駆動関節の角速度 ，角加速度 は０である。しかし角加速度を制御するｋ個の関節の割当てを、ブレーキのON/OFFによって順次切換えてゆけば、最終的にはすべての関節 50

特公平６−７５８３５8の角度が制御できる。（非駆動関節の保持ブレーキを全てONにして非駆動関節を完全に固定した状態はｍ＝０に相当し、通常のマニピュレータと同様に能動関節が制御できる。）＜制御アルゴリズム＞
マニピュレータの位置・姿勢を制御する場合、ブレーキON/OFFによる制御モードの組合せ方によって、無数の制御アルゴリズムが考えられる。まずその一例として、ｍ＝ｎ−ｋ（≦ｋ）の場合の任意の２点間のPTP制御を考える。この場合全ての非駆動関節のブレーキを同時にON/OFFする。
ブレーキOFFにおいて非駆動関節を制御し、ブレーキONにおいて能動関節を制御するから、マニピュレータの全関節を目標角度に設定するには最低１回のモード切替が必要である。一方ブレーキOFFにおいて非駆動関節と能動関節を正確な目標角度まで同時に動かすことは困難であると考えられる。そこで制御を行う順番としては、まずブレーキOFFで非駆動関節を位置決めし、しかるのちにブレーキONで残りの能動関節に位置決めを行う方が有利である。
これだけでもPTP制御は可能であるが、制御をより容易にするため、最初にブレーキONの区間をつけ加え、そこで能動関節による初期加速を行う。リンク機構に運動エネルギーを与えて、ブレーキOFFの区間で非駆動関節が動きやすくし、能動関節の無駄な動きを小さく抑える。
従って２点間を結ぶ軌道を次の３つの区間にわけて制御

(5)特公平６−７５８３５9を行う（第２図）。
I.ψ軸保持区間（T0 ≦ｔ＜T1 ，ブレーキON）
II.ψ軸解放区間（T1 ≦ｔ＜T2 ，ブレーキOFF）
III.ψ軸保持区間（T2 ≦ｔ＜T3 ，ブレーキON）
IIにおいて非駆動関節を含むｋ個の目標軌道に沿って動かし、Ｉ・IIIにおいて残りのｍ個の能動関節を初期位置から最終位置まで動かす。
まずIIにおける軌道とアクチュエータのトルクをオフラインで次のように決定する（第３図）。
非駆動関節を全て含むｋ個の関節に対し角度、加速10度、角加速度の目標値ψd （ｔ）， d （ｔ），ｄ （ｔ）（T1 ≦ｔ＜T2 ）を与える。（但しブレーキON/OFFの瞬間には非駆動関節が停止していなければならない
ため、境界条件として ｄ （T1 ）＝ ｄ （T2 ）＝Ｏ）
残りｍ個の関節について、初期値φ（T1 ）， （T1 ）を与える。
(5)，(6)式の計算を行い、τ（T1 ）， （T1 ）を求める。
（ｔ）を数値積分することにより （T1 ＋ΔＴ），φ（T1 ＋ΔＴ）を求める。
20
但しΔＴはサンプリング間隔である。
｛ (5)，(6)式の計算→ 数値積分｝を反復し、IIの全区間にわたってトルクτ及び角加速度 ，角速度 ，角度ｑを決定する。
またオフライン計算の結果を用いてIIの区間とI,IIIの区間との間のφ， の境界値を決定する。
リアルタイムで制御を実行する際には次のようなフィードバック制御則を用いる。
ｄ ′＝ｄ ＋Kv （d −）＋Kp （ψd −ψ）(7) 30（Kv ，Kp は対角ゲイン行列）
ここでψd ， ｄ ， ｄ は で与えられた角度、角速度、角加速度の目標値、ψ， は角度、角速度の実測値である。(7)で得られた角加速度 ｄ ′を(6)の ｄ に代入してトルクτを求める。この場合φ， も数値積分によらず実測値を用いることができる（第４図）。
Ｉ・IIIにおけるφの制御は通常のマニピュレータと同一である。Ｉではφ（T0 ）：初期位置、 （T0 ）＝０か10
ら、 で与えるφ（T1 ）， （T1 ）を目標値とする制御を行う。またIIIではφ（T2 ， （T2 ）からφ（T3 ）：最終位置、 （T3 ）＝０を目標値とする制御を行う（第５図、第６図）。
以上のアルゴリズムによりマニピュレータの関節角ｑを任意の２点間で動かすことができる。
ｎ−ｋ＞ｋの場合、同時にブレーキを解放して制御できる非駆動関節の数は最大でｋ個である。そこで非駆動関節のうちm1 個（m1 ≦ｋ）のブレーキをOFF、他の非駆動関節のブレーキをONにして、ｎ−ｋ≦ｋの場合と同様の手順によりブレーキOFFの非駆動関節を制御する。位置決めが完了したら非駆動関節のブレーキON/OFFを切換え、異なる組合せのm2 個（m2 ≦ｋ）の非駆動関節を同様に制御する。m1 ，m2 ，…個ずつ順次すべての非駆動関節の位置決めを行う（第７図）。非駆動関節の位置決めが完了したらすべての保持ブレーキをONにし、位置決めの完了していない能動関節の位置決めを行う。
［発明の効果］
この発明では関節で連続したリンクを有するマニピュレータにおいて、関節間の動力学的干渉を利用してアクチュエータを有する関節のトルクによってアクチュエータを有しない関節に角加速度を発生させて角度を制御する
ので、アクチュエータを有しない関節を伝達機構を要せず駆動することができ、マニピュレータ関節のアクチュエータ数を減らすことができる。したがってマニピュレータの構造が簡単になり小型化、省エネルギー化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第１図はこの発明のマニピュレータを示す説明図、第２図は制御アルゴリズムを示す説明図、第３図は制御アルゴリズムのフローチャート、第４図はフィードバック制
御による収束性を示す線図、第５図，第６図はマニピュレータの運動を示すスティック線図及び軌道、第７図はｎ−ｋ＞ｋの場合の制御を示す説明図である。
１……マニピュレータ
Ａ（A1 〜Ak ）……アクチュエータ
Ｂ（B1 〜Bn‑k ）……保持ブレーキ
Ｃ（C1 〜Cn ）……関節

(6)

【第１図】

【第２図】

特公平６−７５８３５

(7)

【第３図】

特公平６−７５８３５

(8)

【第４図】

特公平６−７５８３５

(9)

【第５図】

【第６図】

特公平６−７５８３５

(10)

【第７図】

特公平６−７５８３５