JP7202567B2 - Multi-body minimum mechanical parameter identification device, method and program - Google Patents
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Description
本発明は多体系の最小力学パラメータ同定装置、方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a multi-body minimum dynamics parameter identification device, method, and program.
物体には動的な挙動の解析、評価に必要な1個のパラメータよりなる質量、3個のパラメータよりなる重心及び6個のパラメータよりなる慣性テンソルの合計10個のパラメータよりなる固有の慣性物性が定義されている。尚、慣性テンソルは慣性モーメント(慣性対角項)及び慣性乗積よりなる。たとえば、重心の位置は自動車等の乗り物や、重機等において横転防止等につながる重要なパラメータである。また、自動車等の乗り物においては、全般的に,操縦のし易さ、快適性、運動性能等の評価に慣性対角項のみならず慣性乗積が大きく影響する。 An object has a unique inertial property consisting of a total of 10 parameters: a mass consisting of one parameter, a center of gravity consisting of three parameters, and an inertia tensor consisting of six parameters necessary for dynamic behavior analysis and evaluation. is defined. Note that the inertia tensor consists of the moment of inertia (diagonal term of inertia) and the product of inertia. For example, the position of the center of gravity is an important parameter that leads to rollover prevention in vehicles such as automobiles and heavy machinery. In general, in vehicles such as automobiles, not only the inertia diagonal term but also the inertia product greatly affects the evaluation of maneuverability, comfort, motion performance, and the like.
自由振動計測による従来の単体モデルの慣性特性同定ユニットは、図1に示すように、単体モデル100を搭載するためのプラットフォーム101と、プラットフォーム101を自由振動可能に疑似的に支持する(疑似的周辺自由境界条件での支持という)支持部材(ばね/ワイヤ)102と、プラットフォーム101の振動を検知するためのセンサ103(たとえば加速度センサ)とよりなる(参照:特許文献1、2)。この場合、プラットフォーム101と単体モデル100とは一体の剛体とみなされ、加振器、インパルスハンマ等で単体モデル100とプラットフォーム101の一体としての剛体を加振し、弾性モードが生じない低周波域での周波数応答を得る。予め、プラットフォーム101の慣性特性を精度よく同定しておき、プラットフォーム101と単体モデル100との一体の剛体特性からプラットフォーム101の分を引くことにより単体モデル100の慣性特性を得ることができる。このようにして、ばね、ワイヤ等の支持部材102の影響をモデル化して取除き高精度の同定を可能にすると共に、自由振動計測からの周波数スペクトル分析による並進、回転に基づく6個の固有角振動数の値のみの把握で同定可能であるのでセンサの感度校正を必要とせず、計測誤差も小さい。尚、この単体モデルの慣性特性同定ユニットの発展型を本発明に係る多体系モデルの全体慣性特性計測ユニットとして用いる。
As shown in FIG. 1, a conventional unit model inertia characteristic identification unit based on free vibration measurement includes a platform 101 on which a
他方、ロボット工学、人間工学等においては、複数の構成物体が対偶的に接続された多体系の動力学モデルを作成するために、構成物体(リンク)長等の幾何パラメータ及び各構成物体(リンク)の慣性特性が要求される。この場合、各構成物体のCADデータがある場合には、各慣性特性はCADモデルによる計算で一応は求めることができる。しかし、組立てられた状態での機械機構(たとえばロボット)や、当然切離すことができない状態での身体においては、各慣性特性の同定は実験的に計測するしかない。その際、幾何パラメータは静的な計測から容易に同定可能であるが、各構成物体(リンク)の慣性特性は多体系の動力学モデルに対して冗長であるので、構成物体(リンク)の運動と関節トルクまたは外力データからは同定できない。そこで、多体系の動力学モデルを表現するのに必要最小限の力学パラメータを最小力学パラメータと定義している。 On the other hand, in robotics, ergonomics, etc., geometric parameters such as the length of the constituent objects (links) and each constituent object (link ) inertial characteristics are required. In this case, if there is CAD data for each constituent object, each inertial characteristic can be obtained by calculation using a CAD model. However, in a mechanical mechanism (for example, a robot) in an assembled state or a body in a state that cannot be separated, the identification of each inertial characteristic can only be done by experimental measurement. In doing so, the geometric parameters are easily identifiable from static measurements, but since the inertial properties of each constituent body (link) are redundant to the multi-body dynamic model, the motion of the constituent bodies (links) and cannot be identified from joint torque or external force data. Therefore, the minimum dynamic parameters are defined as the minimum dynamic parameters required to express the dynamic model of the multi-body system.
第1の従来の多体系の最小力学パラメータ同定方法は、複数のリンクを関節によって接続した多体系において、各関節にトルクセンサを設け、関節トルクに対する運動を計測することによって各構成物体(リンク)の慣性特性の最小力学パラメータを同定する(参照:非特許文献1)。 A first conventional method for identifying the minimum dynamic parameters of a multi-body system is to provide a torque sensor at each joint in a multi-body system in which a plurality of links are connected by joints, and measure the motion with respect to the joint torque. Identify the minimum dynamic parameters of the inertial properties of (see: Non-Patent Document 1).
第2の従来の多体系の最小力学パラメータ同定方法は、運動とその運動に対する床反力を計測することによって各構成物体(リンク)の最小力学パラメータを同定する(参照:非特許文献2)。 The second conventional multi-body minimum mechanical parameter identification method identifies the minimum mechanical parameter of each constituent object (link) by measuring the motion and the ground reaction force against the motion (see Non-Patent Document 2).
しかしながら、上述の第1の従来の多体系の最小力学パラメータ同定方法は、トルクという力を高精度に計測する必要があるので、適用の制約が大きい。たとえば、スポーツ科学や工学における人の動きの解析、ヒューマノイドロボットの解析においては、関節すべてにトルクセンサを配置することが困難であり、また、人間を対象とする場合には関節トルクを計測することが困難であるので、適用の制約が大きいという課題がある。 However, the above-described first conventional multi-body minimum dynamics parameter identification method requires highly accurate measurement of the force of torque, and therefore has a large limitation in its application. For example, in the analysis of human movement in sports science and engineering, and in the analysis of humanoid robots, it is difficult to place torque sensors at all joints. is difficult, there is a problem that the restrictions of application are large.
また、上述の第2の従来の多体系の最小力学パラメータ同定方法においても、床反力という力を計測する必要があるので、適用の制約が大きい。つまり、床反力としての抗力及び摩擦力の両方を高精度に計測することは困難であり、かつモーションキャプチャを用いた3次元運動の計測での最適な運動の選定が困難なため,多体系の3次元の慣性特性の同定への一般化は困難であるので、適用の制約が大きいという課題がある。 Also, in the above-described second conventional multi-body minimum dynamics parameter identification method, since it is necessary to measure the force of the floor reaction force, application is greatly restricted. In other words, it is difficult to measure both the drag force and the frictional force as floor reaction forces with high accuracy, and it is difficult to select the optimum motion in measuring three-dimensional motion using motion capture. Since it is difficult to generalize to the identification of three-dimensional inertial characteristics, there is a problem that application is greatly restricted.
上述の課題を解決するために、本発明に係る多体系の最小力学パラメータ同定装置は、複数の物体が接続された多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件で搭載し、多体系モデルを搭載した系の自由振動の固有角振動数を検出する全体慣性特性計測ユニットと、その全体慣性特性計測ユニットに接続され、多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件で搭載し,多体系モデルをリンク間内力で相対運動させてその振動または運動を計測するための相対運動計測ユニットと,全体慣性特性計測ユニット及び相対運動計測ユニットに接続され,複数姿勢での多体系モデルの全体慣性特性及びその振動または運動に基づく方程式を連立させて各物体の最小力学パラメータを同定するための制御ユニットとを具備するものである。なお,全体慣性特性計測ユニットと相対運動計測ユニットはハードウエアとしては同一にすることもできるし,別々のユニットとして準備することもできる。 In order to solve the above-described problems, a multi-body minimum dynamics parameter identification device according to the present invention mounts a multi-body model in which a plurality of objects are connected under a pseudo peripheral free boundary condition, and mounts the multi-body model A global inertial property measurement unit that detects the natural angular frequency of free vibration of the system, and a multi-body model that is connected to the global inertial property measurement unit, is mounted under pseudo-peripheral free boundary conditions, and measures the internal force between links. A relative motion measurement unit for measuring the vibration or motion by making it move relative to each other, a global inertial property measurement unit and a relative motion measurement unit, and the global inertial property of the multi-body model in multiple poses and its vibration or motion and a control unit for establishing a system of equations based on to identify the minimum mechanical parameters of each object. It should be noted that the overall inertial characteristic measurement unit and the relative motion measurement unit can be the same as hardware, or can be prepared as separate units.
また、本発明に係る多体系の最小力学パラメータ同定方法は、複数の物体が接続された多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件での全体慣性特性計測ユニットに搭載して複数姿勢での自由振動の固有角振動数を計測するための全体慣性特性計測工程と、多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件で搭載してリンク間内力で相対運動させてその振動または運動を計測するための相対運動計測工程と、複数姿勢での多体系モデルの全体慣性特性及びその振動または運動に基づく方程式を連立させて各物体の最小力学パラメータを同定するための最小力学パラメータ同定工程とを具備するものである。 In addition, the multi-body minimum dynamic parameter identification method according to the present invention is a multi-body model in which a plurality of objects are connected is mounted on a global inertial property measurement unit under pseudo peripheral free boundary conditions, and free vibration in multiple postures is performed. and the relative motion for measuring the vibration or motion by mounting the multi-body model under pseudo peripheral free boundary conditions and making it move relative to the internal force between links. a measurement step; and a minimum mechanical parameter identification step for identifying the minimum mechanical parameter of each object by coupling equations based on the global inertial properties of the multi-body model at multiple poses and its vibration or motion. .
さらに、本発明に係る多体系の最小力学パラメータ同定プログラムは、複数の物体が接続された多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件で該多体系モデルの固有角振動数を検出して複数姿勢での全体慣性特性を計測するための全体慣性特性計測手順と、多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件で搭載してリンク間内力で相対運動させてその振動又は運動を計測するための相対運動計測手順と、全体慣性特性及びその振動又は運動に基づく方程式を連立させて各物体の最小力学パラメータを同定するための最小力学パラメータ同定手順とを具備するものである。 Furthermore, the multi-body minimum dynamic parameter identification program according to the present invention detects the natural angular frequency of a multi-body model in which a plurality of objects are connected under pseudo peripheral free boundary conditions, Overall inertia characteristics measurement procedure for measuring the overall inertia characteristics of the system, and relative motion measurement for measuring the vibration or motion by mounting the multi-body model under pseudo free boundary conditions and making it move relative to the internal force between links. and a minimum mechanical parameter identification procedure for identifying the minimum mechanical parameters of each body by coupling equations based on the global inertial properties and their vibration or motion.
本発明によれば、力の計測を行うことなく、多体系の最小力学パラメータを同定できる。 According to the present invention, it is possible to identify the minimum mechanical parameters of a multi-body system without force measurement.
尚、以下の数1式等におけるベクトル、行列の太字、斜体の数字、文字は明細書中においては通常の数字、文字とした。
Bold and italic numbers and letters of vectors and matrices in
図2は本発明に係る多体系の最小力学パラメータ同定装置を示すブロック図である。 FIG. 2 is a block diagram showing a multi-body minimum dynamics parameter identification device according to the present invention.
図2においては、多体系モデル10の複数姿勢での全体慣性特性を計測するための全体慣性特性計測ユニット20及び多体系モデル10の各リンク間の相対運動を計測するための相対運動計測ユニット30を設け、さらに、全体慣性特性計測ユニット20及び相対運動計測ユニット30を制御するための制御ユニット40(たとえばマイクロコンピュータ)を設ける。なお,ハードウエア構成としては,全体慣性特性計測ユニット20と相対運動計測ユニット30を統一化して設計することもできる.
In FIG. 2, an overall inertia
図3は図2の多体系モデル10の例を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the
図3は、N個のリンクjよりなる木構造をなし、リンク0はベース(基底)リンクであるが、どのリンクも基底リンクになり得る。尚、人間の体幹と四肢の構造モデルの場合、体幹リンクをベースリンクとする。
FIG. 3 shows a tree structure of N links j, where
図4は図2の全体慣性特性計測ユニット20の一例を示し、(A)は正面図、(B)は斜視図である。図4の全体慣性特性計測ユニット20は図1の従来の単体モデルの慣性特性同定ユニットを発展させたものである。
FIG. 4 shows an example of the overall inertial
図4においては、多体系モデル10を搭載するためのプラットフォーム21、プラットフォーム21を自由振動可能に、つまり、疑似周辺自由境界条件で支持する支持部材(ばね)22、及びプラットフォーム21の振動を検知するためのひずみセンサ23を設ける。ひずみセンサ23は制御ユニット40に接続される。この場合も、プラットフォーム21と多体系モデル10とは一体の剛体とみなされ、加振器、インパルスハンマ等でその一体剛体を加振し、弾性モードが生じない低周波域での周波数応答を得る。予め、プラットフォーム21の慣性特性を精度よく同定しておき、プラットフォーム21と多体系モデル10との一体の慣性特性からプラットフォーム21の分を引くことにより多体系モデル10の慣性特性を得ることができる。このようにして、ばね、ワイヤ等の支持部材22の影響をモデル化して取除き高精度の同定を可能にすると共に、自由振動計測からの周波数スペクトル分析による並進、回転に基づく6個の固有角振動数の値のみで同定可能であるので、多体系モデル10の慣性特性の同定結果の誤差も小さい。
In FIG. 4, a
図5は図2の相対運動計測ユニット30の一例を示し、(A)は正面図、(B)は斜視図である。
FIG. 5 shows an example of the relative
図5においては、多体系モデル10を搭載するためのプラットフォーム31、プラットフォーム31を水平方向の微小変位運動に関して疑似周辺自由境界条件で支持する支持部材(ワイヤ)32、及び各リンクの相対運動を検知するためのモーションキャプチャ33を設ける。モーションキャプチャ33は制御ユニット40に接続される。
In FIG. 5, a
図3の多体系モデル10の運動方程式は数1式のごとくなる。
Hi,j(j=1、2)は慣性行列
qoはベースリンクの一般化座標(6自由度)
qCは関節角度ベクトル
biコリオリ力、遠心力、重力を表すベクトル項
τは関節トルクを表すベクトル
NCは多体系に働く外力の総数
Fkは多体系に働くk番目の外力ベクトル
Jikはk番目の外力を一般化力へ変換する行列
The equation of motion of the
H i,j (j=1, 2) is the inertia matrix q o is the generalized coordinates of the base link (6 degrees of freedom)
q C is the joint angle vector b i representing the Coriolis force, centrifugal force, and gravity Vector term τ is the vector representing the joint torque NC is the total number of external forces acting on the multi - body system F k is the k-th external force vector J ik acting on the multi-body system is a matrix that transforms the k-th external force into a generalized force
数1式の運動方程式は、数2式に示すごとく、変形でき、質量、重心、慣性テンソルの力学パラメータに対して線形な関係となる。
Ij,xx,Ij,yy,Ij,zz,Ij,xy,Ij,xy,Ij,yzはリンクjの座標原点回りの慣性テンソルIjの各成分
gj,x,gj,y,gj,zはリンクjの座標原点からの重心位置ベクトルgjの各成分
Yiはφjにかかるリグレッサ行列と呼ばれ、qj、qiの1階時間微分及びqiの2階時間微分に基づいて構成される関数行列
The equation of motion of
数2式からは力学パラメータのすべてを同定できない。各リンクjの慣性特性は多体系モデル11に対して冗長であるためである。そこで、最小力学パラメータからなるベクトルφBを導入することにより数2式は数5式に変形できる。
本発明においては、数5式の上段のトルクτを含まない運動方程式を用い、リンク長、対偶の位置等の幾何パラメータ、各リンクjの運動と計測ユニットのばね、ワイヤの計測台取り付け点の位置と運動を計測することで得られるデータを代入して最小力学パラメータを求める方程式を作成する。そのため、多体系モデルの関節トルクを計測する必要がない。さらに、ばねやワイヤに発生する力は、ばね、ワイヤの力学的パラメータ(ばね定数や長さ)を予め精密にモデル化しているので、位置の計測から計算でき、床反力といった外力の計測を必要としない。この方程式の解法に、リンクj間の相対運動をさせたときの基本姿勢状態で多体系モデル10全体の慣性特性の同定結果を組合せる。
In the present invention, using the equation of motion that does not include torque τ in the upper part of Equation 5, geometric parameters such as the link length and the position of the pair, the motion of each link j, the spring of the measurement unit, and the attachment point of the wire to the measurement table Substitute data obtained by measuring position and motion to create an equation for obtaining the minimum mechanical parameters. Therefore, there is no need to measure the joint torque of the multibody model. In addition, the forces generated in springs and wires are precisely modeled in advance with the mechanical parameters (spring constant and length) of springs and wires, so they can be calculated from position measurements, and external forces such as floor reaction force can be measured. do not need. The solution of this equation is combined with the result of identifying the inertial characteristics of the entire
次に、図2の制御ユニット40の動作を図6を参照して説明する。
Next, the operation of
始めに、ステップ601にて、多体系モデル10を全体慣性特性計測ユニット20のプラットフォーム21に搭載し、多体系モデル10の姿勢を変更する。姿勢は変更後に固定される。尚、多体系モデル10を、図7に示すごとく、2リンク系とすれば、図8の(A)、(B)、(C)に示す姿勢を想定する。
First, in
次に、ステップ602にて、固定された姿勢の多体系モデル10の単体としての全体慣性特性を計測する。
Next, in
次に、ステップ603にて、姿勢変更での全体慣性特性計測が終了か否かを判別する。つまり、図8の(A)、(B)、(C)に示す姿勢での計測がすべて終了まで、ステップ601、602を繰返し、姿勢変更が終了であれば、ステップ604に進む。
Next, at
ステップ604では、ステップ602にて得られた複数姿勢での全体慣性特性に基づいて各リンクの質量に関する最小力学パラメータ、各リンクの重心に関する最小力学パラメータ及び各リンクの慣性テンソルの慣性乗積成分に関する最小力学パラメータを同定する。
In
次に、ステップ605では、多体系モデル10を図5の相対運動計測ユニット30のプラットフォーム31に搭載して内力によるリンクj間の相対運動計測を行う。
Next, in
次に、ステップ606では、ステップ602にて得られた複数姿勢での全体慣性特性及びステップ605にて得られたリンク間の相対運動計測データに基づいて構成される方程式(数5式の上段部分)より各リンクjの慣性テンソルの対角項成分に関する最小力学パラメータを同定する。
Next, in
そして、ステップ607に図6のルーチンは終了する。
Then, at
図9は図6の全体慣性特性計測ステップ602の詳細なルーチンである。
FIG. 9 is a detailed routine of the overall inertial
始めに、ステップ901にて、プラットフォーム21及び多体系モデル10の一体での単体を加振してその自由振動応答から固有角振動数を複数求めておく。なお、自由振動のさせ方で観測できる固有角振動数の数は異なる場合があるので、できるだけ6個またはそれにできるだけ近い多くの数が観測できるように振動させることが加振時の注意点である。
First, in step 901, the
次に、ステップ902にて、未知数である慣性特性の初期値を決定する。
Next, at
次に、ステップ903にて、プラットフォーム21及び多体系モデル10の一体での単体としての質量行列Mをその慣性特性値から作成する。尚、質量行列は質量、重心及び慣性テンソルによって構成される6行×6列の行列である。
Next, in
次に、ステップ904にて、剛性行列Kを作成する。固定支持位置とプラットフォーム21間に取り付けられたばねの両端位置とばね定数から剛性行列Kを作成することができる。尚、剛性行列Kは可動部(多体系モデル10及びプラットフォーム21)が静的釣り合い状態から微小の並進及び回転変位したときの可動部に加わる力を表す6行×6列の行列である。
Next, at
ステップ905では、プラットフォーム21及び多体系モデル10の一体での単体としての静的釣り合い状態を数値解析法により計算する。尚、静的釣り合い状態はステップ904で求めた剛性行列Kとステップ903で決定されている単体の質量行列Mおよび重力との静的つり合い方程式に基づいて解くことができる。
In
次に、ステップ906にて、ステップ903にて得られた質量行列M及びステップ905にて得られた剛性行列Kからステップ905で求めた静的つり合い位置における微小自由振動の理論的な固有値解析の方程式を構築して解くことで、その固有値の平方根を6個の理論固有角振動数ωとして計算する。つまり、
det(K -ω2M)=0
から理論的固有角振動数ωを計算する。但し、Iは単位行列である。
Next, in
det(K - ω2M)=0
Calculate the theoretical natural angular frequency ω from However, I is the identity matrix.
次に、ステップ907にて、ステップ901にて得られた実験固有角振動数とステップ906にて得られた理論固有角振動数との差の自乗ノルムを計算する。
Next, in
次に、ステップ908では、ステップ907にて得られた自乗ノルムがステップ903から908までの反復計算の前回の値より小さくなっているかどうかを判定し、小さくなっており、まださらに小さくなる収束途中であると判断された場合には、収束方向への感度解析を行い、それに基づいて慣性特性を適切に少し変更してステップ903~907を繰り返す。自乗ノルムが十分小さく収束したと判断した場合には、その時点での質量行列の値から全体慣性特性を同定する。
Next, in
そして、ステップ909にて図9のルーチンは終了する。 Then, at step 909, the routine of FIG. 9 ends.
図9のステップ905においては、剛性行列Kは釣り合い状態からの微小な剛体運動におけるばねやワイヤの影響をモデル化することによって導出する。ばねやワイヤによる影響要因は以下の3つと考えることができる。
1. ばねの復元力(ばねの軸線方向の復元力)
2. 振り子運動のように,釣り合い位置からずれると重力によって元に戻ろうとする幾何剛性
3. 釣り合い位置からモーメントの均衡が崩れた場合の復元モーメント(ばねの軸線に垂直な方向の復元力)
質量行列Mや剛性行列Kの詳しい導出は非特許文献3、4、5を参照されたい。このように、あらかじめ精密に特性値を把握したばねやワイヤを用いてその影響を精密にモデル化することで高精度な同定を可能にした。この同定法を用い複数姿勢で全体慣性特性を同定すると、図6のステップ604において、各リンクと全体の重心位置に関する数6式と慣性テンソルに関する数7式を計測姿勢に対応させて複数得ることができる。
ms、gs、Isは多体系全体の質量、ベースリンク座標原点からの重心位置ベクトルおよび慣性テンソル
pjはベースリンク原点からリンクj座標原点へ向かうベクトル(j≧1)
Rjはベースリンク原点からリンクj座標原点への姿勢行列(j≧1)
[ω×] は数8式のような演算子
1. Spring restoring force (spring axial restoring force)
2. Geometric stiffness, such as pendulum motion, that tends to return to its original position due to gravity when it deviates from its equilibrium position.
3. Restoring moment (restoring force in the direction perpendicular to the axis of the spring) when the balance of the moment is lost from the equilibrium position
See Non-Patent Documents 3, 4, and 5 for detailed derivation of the mass matrix M and stiffness matrix K. In this way, by using springs and wires whose characteristic values have been accurately grasped in advance and precisely modeling their influence, high-accuracy identification has become possible. If this identification method is used to identify the overall inertia characteristics in a plurality of postures, in
m s , g s , and I s are the mass of the whole many-body body, the center-of-gravity position vector from the base-link coordinate origin, and the inertia tensor
p j is a vector from the base link origin to the link j coordinate origin (j ≥ 1)
R j is the attitude matrix from the base link origin to the link j coordinate origin (j≧1)
[ω×] is an operator like
数6式、数7式から重心位置に関する最小力学パラメータ、慣性テンソルの慣性乗積に関する対応する部分に関する最小力学パラメータ、慣性テンソルの対角項成分の最小力学パラメータに関する関係式を得ることができる。たとえば図7に示す球対偶を持つ2リンク系でベースリンクの座標原点を球対偶の中心に設定した多体系においては、同定したい最小力学パラメータは、数9式、各リンクと全体の重心位置に関する式は、数10式、各リンクと全体の慣性テンソルに関する式は、数11式で表される。
数10式の連立方程式を解くことにより,mjgjを得ることができ、数11式の連立方程式と回転行列の性質から、Ij,xy,Ij,xz,Ij,yz,Ij,xx - Ij,yy,Ij,yy - Ij,zz,I0,xx + I1,xx,I0,yy+ I1,yy,I0,zz + I1,zz を得ることができる。そのため、図6のステップ605におけるある平面でのリンクの相対運動といった比較的単純な動作から、図6のステップ606にて残りの慣性テンソルに関する最小力学パラメータを得ることができ、すべての最小力学パラメータが同定可能である。
By solving the simultaneous equations of Equation 10 , m j g j can be obtained, and from the simultaneous equations of Equation 11 and the properties of the rotation matrix, get j,xx - I j,yy , I j,yy - I j,zz , I 0,xx + I 1,xx , I 0,yy + I 1,yy , I 0,zz + I 1,zz be able to. Therefore, from a relatively simple action, such as the relative motion of a link in a plane in
次に、図6の内力によるリンク間の相対運動計測ステップ605について詳細に説明する。
Next, the relative
残りの慣性テンソルの対角項成分に関する最小力学パラメータを得るために、図10に示すごとく、計測対象の多体系リンクにばねやワイヤを接続し、その反発力を内力として使ってリンク間に相対運動を起こさせ、その運動の計測を行う。モーションキャプチャ33(図5)で計測を行う場合、あらかじめ各リンク上に取り付けた各マーカの位置からベースリンク0の並進ベクトル及び回転行列と各リンクの回転行列の時刻歴変化を求め、その並進ベクトル及び回転行列の時刻歴変化から速度、加速度、角速度、角加速度ベクトルを求める。並進ベクトル及び回転行列の各成分の時刻歴変化を各成分に対して最小二乗法的に最適な近似となる多項式に近似し、その多項式を微分することで速度、加速度、角速度、角加速度ベクトルの時刻歴変化を求め数値解析の安定性と結果の精度を高める。この計測法ではベースリンク0に疑似的周辺自由の境界条件をつくるために相対運動計測ユニットに設置されている計測系のばねやワイヤが発生する反力が外力となるため、剛性行列Kを用いて数5式のトルクの含まれない上段の式は数12式のように表すことができる。
数12式は並進3自由度、回転3自由度の計6自由度分の式となる。並進に関する式は全体の質量及び重心位置に関する最小力学パラメータから構成される。従って、すでに全体慣性特性計測から全体の質量と重心位置に関する最小力学パラメータは同定できているので、必要としない。数12式の回転に関する式の内1つ以上の式と全体慣性特性同定で求めた最小力学パラメータの一部と関係式を用いることで慣性テンソルの慣性対角項成分に関する最小力学パラメータが得られ、すべての最小力学パラメータを同定することができる。たとえば、図7の場合は、数12式は数13式となる。
R0は絶対座標原点からベースリンク座標原点への姿勢行列
Equation 12 is an equation for a total of 6 degrees of freedom, 3 degrees of freedom in translation and 3 degrees of freedom in rotation. The expression for translation consists of minimum mechanical parameters for total mass and center of gravity position. Therefore, the minimum mechanical parameters related to the overall mass and center of gravity position have already been identified from the overall inertial property measurement, so they are not required. By using one or more of the equations related to rotation in Equation 12, a part of the minimum dynamic parameters obtained in the overall inertia characteristic identification, and the relational expressions, the minimum dynamic parameters related to the inertia diagonal term component of the inertia tensor can be obtained. , all the minimum mechanical parameters can be identified. For example, in the case of FIG. 7, Equation 12 becomes Equation 13.
R 0 is the attitude matrix from the absolute coordinate origin to the base link coordinate origin
このようにして、数13式、数14式、数15式に全体慣性特性計測での数10式、数11式から得た、mjgj,Ij,xy,Ij,xz,Ij,yz,Ij,xx - Ij,yy,Ij,yy - Ij,zz,I0,xx + I1,xx,I0,yy + I1,yy,I0,zz + I1,zz を代入することで、慣性テンソルの対角項成分に関する最小力学パラメータを得ることができる。 In this way, m j g j , I j, xy , I j, xz , I j,yz , I j,xx − I j,yy , I j,yy − I j,zz , I 0,xx + I 1,xx , I 0,yy + I 1,yy , I 0,zz + I By substituting 1,zz , we can obtain the minimum dynamics parameter for the diagonal elements of the inertia tensor.
図11は図8の各姿勢A、B、Cで7回計測し平均化して得られた全体慣性特性結果と回転行列の成分を示す。図10(B)の計測データと図11の計測結果に基づいて、図12はベースリンク0及びリンク1の重心位置に関する最小力学パラメータの実験同定結果を示し、図13はベースリンク0の慣性テンソルに関する実験同定結果を示し、図14はリンク1の慣性テンソルに関する実験同定結果を示す。
FIG. 11 shows the overall inertia characteristic results and rotation matrix components obtained by averaging seven measurements in each of the postures A, B, and C in FIG. Based on the measurement data of FIG. 10(B) and the measurement results of FIG. 11, FIG. , and FIG. 14 shows the experimental identification results for the inertia tensor of
図12に示すごとく、質量と重心位置で構成されるパラメータmjgjの実験同定結果の最大誤差成分は±0.0028kgmであり、ベースリンク0の単位質量当り±0.0004mである。これはシミュレーションで理論的に計測データに含まれると考えられるランダムノイズレベルを考慮して1万回同定したときの平均二乗誤差平方根(RMSE)で規定される誤差範囲±RMSE内である。
As shown in FIG. 12, the maximum error component of the experimentally identified parameters m j g j composed of the mass and the position of the center of gravity is ±0.0028 kgm, which is ±0.0004 m per unit mass of the
図13、図14に示すごとく、慣性テンソルの実験同定結果の誤差は±3.1%であり、前記と同様に、これはシミュレーションで1万回同定したときの平均二乗誤差平方根RMSEで規定される誤差範囲±RMSE内である。 As shown in FIGS. 13 and 14, the error in the experimental identification result of the inertia tensor is ±3.1%, which is defined by the root mean square error RMSE when identification is performed 10,000 times in the simulation as described above. within the error range ±RMSE.
尚、図6、図9に示すフローチャートはプログラムとして制御ユニット40のメモリに格納される。
6 and 9 are stored in the memory of the
また、上述の実施の形態においては、2リンクよりなる多体系を例としたが、本発明は3以上のリンクよりなる多体系にも適用し得る。たとえば、多体系として人間個人の最小力学パラメータ同定の場合、図15の(A)に示すごとく、複数姿勢に基づく全体慣性特性計測を行い、図15の(B)に示すごとく、各リンク間の相対運動計測を行う。 Also, in the above-described embodiment, the multi-system system consisting of two links was taken as an example, but the present invention can also be applied to a multi-system system consisting of three or more links. For example, in the case of identifying the minimum dynamic parameters of an individual human being as a multi-body system, as shown in FIG. Perform relative motion measurement.
さらに、スポーツ工学の分野において、今まで人間個人の最小力学パラメータが同定できなかったが、本発明により人間個人の最小力学パラメータが同定可能となれば、図16の(A)に示すようなスポーツ選手ごとの関節への負担(関節トルクなど)を算出することができ、怪我を事前に防ぐための評価値を構築することが可能となる。また、その最小力学パラメータを持つ人はどのような動きをした方がよいというようにその人にフィットした運動の提案が可能となる。 Furthermore, in the field of sports engineering, it has been impossible to identify the minimum mechanical parameters of an individual human until now. It is possible to calculate the burden (joint torque, etc.) on the joints of each player, and to construct an evaluation value for preventing injuries in advance. In addition, it is possible to propose an exercise that fits the person, such as what kind of movement the person with the minimum mechanical parameter should do.
さらにまた、自動車産業においては、ドライバーひとりひとりに合わせた自動車設計が期待されている。そのためには、人種別、成人男性、女性、年齢層別の子供などの区分、または究極としては個々人に近い図16の(B)に示すダミー人形を使用して試験を行う有用性が指摘されている。生きている人間個人の最小力学パラメータが要求されるが今までは同定できないとされていた。本発明を適応することで個々人の最小力学パラメータが同定でき、対応したダミー人形の開発などを可能にする。 Furthermore, in the automobile industry, automobile design is expected to suit each driver. For that purpose, it is pointed out that it is useful to conduct tests using a dummy doll shown in FIG. ing. Minimum mechanical parameters of a living human individual are required, but until now have been considered unidentifiable. By applying the present invention, an individual's minimum mechanical parameters can be identified, making it possible to develop corresponding dummies.
さらに、自動車工学においては、自動車全体の慣性特性だけでなく、自動車を分解せずに、ボディーの慣性特性やエンジン(またはパワートレイン(Power-train))の慣性特性をも同定できれば理想的である。図16の(C)に示すごとく、このような弾性結合で複数のコンポーネントが結合した機械構造物を「多体構造系」とし、本発明は、この種の対象物の主要コンポーネントの剛体特性を非分解で同定可能とする。 Furthermore, in automotive engineering, it would be ideal to be able to identify not only the inertia of the entire car, but also the inertia of the body and the inertia of the engine (or power-train) without disassembling the car. . As shown in FIG. 16(C), a mechanical structure in which a plurality of components are coupled by such elastic coupling is referred to as a "multi-body structural system". Identifiable without decomposition.
また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更も適用し得る。 Also, the present invention can be applied to any modifications within the obvious scope of the above-described embodiments.
本発明は、上述のごとく、スポーツ工学、自動車工学等の分野に利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY As described above, the present invention can be used in fields such as sports engineering and automobile engineering.
10:多体系モデル
0:ベースリンク
1、2、…:リンク
20:全体慣性特性計測ユニット
21:プラットフォーム
22:ばね
23:ひずみケージ
30:相対運動計測ユニット
31:プラットフォーム
32:ワイヤ
33:モーションキャプチャ
40:制御ユニット
100:単体モデル
101:プラットフォーム
102:支持部材
103:加速度センサ
10: Multibody model 0:
Claims (9)
前記多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件で搭載し、前記多体系モデルをリンク間内力で相対運動させて振動又は運動を計測するための相対運動計測ユニットと、
前記全体慣性特性計測ユニット及び前記相対運動計測ユニットに接続され、前記複数姿勢での前記全体慣性特性及び前記振動又は運動を連立させて前記各物体の最小力学パラメータを同定するための制御ユニットと
を具備する多体系の最小力学パラメータ同定装置。 A multi-body model in which a plurality of objects are connected is mounted under a pseudo peripheral free boundary condition, and the natural angular frequency of the free vibration of the multi-body model is detected to measure the overall inertial characteristics in multiple postures. an inertial property measurement unit;
a relative motion measurement unit for mounting the multi-body model under a pseudo free boundary condition, causing the multi-body model to move relative to the internal force between links, and measuring vibration or motion;
a control unit connected to the global inertial property measurement unit and the relative motion measurement unit, for coupling the global inertial properties and the vibrations or motions in the multiple postures to identify a minimum mechanical parameter of each of the objects; Equipped with a multi-body minimum dynamics parameter identification device.
前記多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件で搭載し、前記多体系モデルをリンク間内力で相対運動させて振動又は運動を計測するための相対運動計測工程と、
前記複数姿勢での前記全体慣性特性及び前記振動又は運動を連立させて前記各物体の最小力学パラメータを同定するための最小力学パラメータ同定工程と
を具備する多体系の最小力学パラメータ同定方法。 Overall inertia characteristic measurement for measuring the overall inertia characteristics in multiple postures by detecting the natural angular frequency of free vibration of a multibody model in which multiple objects are connected under a pseudo free boundary condition process and
a relative motion measurement step of mounting the multi-body model under a pseudo free boundary condition, causing the multi-body model to move relative to the internal force between links, and measuring vibration or motion;
and a minimum dynamics parameter identification step for identifying minimum dynamics parameters of each of the objects by combining the overall inertial characteristics and the vibrations or motions in the multiple postures.
前記複数姿勢での前記全体慣性特性に基づき前記各物体の質量に関する第1の最小力学パラメータを同定するための第1の最小力学パラメータ同定工程と、
前記複数姿勢での前記全体慣性特性に基づき前記各物体の重心に関する第2の最小力学パラメータを同定するための第2の最小力学パラメータ同定工程と、
前記複数姿勢での前記全体慣性特性に基づき前記各物体の慣性テンソルの慣性乗積成分に関する第3の最小力学パラメータを同定するための第3の最小力学パラメータ同定工程と
を具備する請求項4に記載の多体系の最小力学パラメータ同定方法。 The minimum mechanical parameter identification step includes:
a first minimum mechanical parameter identification step for identifying a first minimum mechanical parameter related to the mass of each of the objects based on the global inertial properties at the multiple poses;
a second minimum mechanical parameter identification step for identifying a second minimum mechanical parameter related to the center of gravity of each object based on the global inertial properties at the multiple poses;
and a third minimum dynamics parameter identification step for identifying a third minimum dynamics parameter related to the product of inertia components of the inertia tensor of each of the objects based on the global inertia characteristics at the multiple poses. A method for identifying the minimum mechanical parameters of the described multi-body system.
前記多体系モデルを疑似的周辺自由境界条件で搭載し、前記多体系モデルをリンク間内力で相対運動させて振動又は運動を計測するための相対運動計測手順を具備し、
前記複数姿勢での前記全体慣性特性及び前記振動又は運動を連立させて前記各物体の最小力学パラメータを同定するための最小力学パラメータ同定手順と
を具備する多体系の最小力学パラメータ同定プログラム。 Overall inertia characteristic measurement for measuring the overall inertia characteristics in multiple postures by detecting the natural angular frequency of free vibration of a multibody model in which multiple objects are connected under a pseudo free boundary condition a procedure;
A relative motion measurement procedure for mounting the multi-body model under a pseudo free peripheral boundary condition, causing the multi-body model to move relative to the internal force between links, and measuring vibration or motion;
A multi-body minimum mechanical parameter identification program comprising: a minimum mechanical parameter identification procedure for identifying a minimum mechanical parameter of each of the objects by coupling the overall inertial characteristics and the vibrations or motions in the multiple postures.
前記複数姿勢での前記全体慣性特性に基づき前記各物体の質量に関する第1の最小力学パラメータを同定するための第1の最小力学パラメータ同定手順と、
前記複数姿勢での前記全体慣性特性に基づき前記各物体の重心に関する第2の最小力学パラメータを同定するための第2の最小力学パラメータ同定手順と、
前記複数姿勢での前記全体慣性特性に基づき前記各物体の慣性テンソルの慣性乗積成分に関する第3の最小力学パラメータを同定するための第3の最小力学パラメータ同定手順と
を具備する請求項7に記載の多体系の最小力学パラメータ同定プログラム。 The minimum mechanical parameter identification procedure includes:
a first minimum mechanical parameter identification procedure for identifying a first minimum mechanical parameter related to the mass of each of the objects based on the global inertial properties at the multiple poses;
a second minimum mechanical parameter identification procedure for identifying a second minimum mechanical parameter with respect to the center of gravity of each object based on the global inertial properties at the multiple poses;
and a third minimum dynamics parameter identification procedure for identifying a third minimum dynamics parameter related to the product of inertia components of the inertia tensor of each of the bodies based on the global inertia characteristics at the multiple poses. A minimal mechanical parameter identification program for the described many-body system.
The minimum dynamics parameter identification procedure further identifies a fourth minimum dynamics parameter for the inertia diagonal term component of the inertia tensor of each of the bodies based on the global inertial properties at the multiple poses and the relative motion of each of the bodies. 9. The multi-body minimum dynamics parameter identification program according to claim 8, comprising a fourth minimum dynamics parameter identification procedure for .
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