CN112384341A - 控制装置、控制方法以及控制系统 - Google Patents

控制装置、控制方法以及控制系统 Download PDF

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CN112384341A CN201980046168.7A CN201980046168A CN112384341A CN 112384341 A CN112384341 A CN 112384341A CN 201980046168 A CN201980046168 A CN 201980046168A CN 112384341 A CN112384341 A CN 112384341A
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松田康宏
长阪宪一郎
增田大雅
本乡一生
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Abstract

提供了一种能够根据所检测到的外力来控制受控对象的操作的控制装置。控制装置(200)设置有控制单元(210‑1)，该控制单元(210‑1)对借助于设置有受控对象的力传感器检测到的第一外力和基于借助于设置有受控对象的使得力传感器能够移动的可移动部的扭矩传感器检测到的扭矩而估计的第二外力进行比较，并且该控制单元(210‑1)基于比较的结果来通过调节扭矩指令值控制受控对象的操作。

Description

控制装置、控制方法以及控制系统
技术领域
本公开内容涉及控制装置、控制方法以及控制系统。
背景技术
近年来，与和人共存以及合作的机器人有关的技术正受到关注。作为该技术的示例，控制机器人的操作的技术已经开始传播。
专利文献1公开了基于由设置在机器人中的传感器检测到的施加至机器人的外力等来校正机器人的操作以抑制机器人中发生的振动的技术。
[引用列表]
[专利文献]
[专利文献1]JP 2017-124455 A
发明内容
[技术问题]
上述技术可以例如当机器人与周围的人、物体等接触时通过位置控制来抑制机器人中发生的振动。然而，由于该技术不控制机器人的力，因此不可能抑制机器人施加至人、物体等的冲击等，并且机器人可能伤害人并损坏周围的物体。因此，期望机器人执行这样的操作：当机器人与周围的人、物体等接触时，通过控制机器人的力或使机器人执行被动操作来抑制施加至人、物体等的冲击。
因此，本公开内容提出了能够根据所检测到的外力来控制控制目标的操作的新的且改进的控制装置、控制方法以及控制系统。
[问题的解决方案]
根据本公开内容，提供了一种控制装置，包括：控制单元，该控制单元将由设置在控制目标中的力传感器检测到的第一外力和基于由设置在控制目标的操作力传感器的可移动部中的扭矩传感器检测到的扭矩而估计的第二外力进行比较，并且该控制单元基于比较结果来校正扭矩指令值以控制控制目标的操作。
根据本公开内容，提供了一种由处理器执行的控制方法，包括：将由设置在控制目标中的力传感器检测到的第一外力和基于由设置在控制目标的操作力传感器的可移动部中的扭矩传感器检测到的扭矩而估计的第二外力进行比较，并且基于比较结果来校正扭矩指令值以控制控制目标的操作。
根据本公开内容，提供了一种控制系统，包括：臂装置，该臂装置包括具有致动器的可移动部、通过所述可移动部连接有多个连杆的臂部、检测作用于可移动部的扭矩的扭矩传感器以及检测作用于臂部的端部的第一外力的力传感器；以及控制装置，该控制装置包括控制单元，该控制单元将第一外力和基于扭矩而估计的第二外力进行比较并且基于比较结果来校正扭矩指令值以控制所述臂装置的操作。
[发明的有益效果]
如上所述，根据本公开内容，可以根据所检测到的外力来对控制目标的操作进行控制。
注意，上述效果不一定是限制性的。与上面的效果一起或者替代上面的效果，可以实现本说明书中描述的任一效果或可以根据本说明书理解的其他效果。
附图说明
[图1]图1是示出根据本公开内容的实施方式的臂装置的总体配置的图。
[图2]图2是示出根据比较示例的控制单元的功能配置示例的框图。
[图3]图3是示出根据第一实施方式的控制系统的配置示例的框图。
[图4]图4是示出根据实施方式的控制单元的功能配置示例的框图。
[图5]图5是示出根据实施方式的增益的连续变化的示例的说明图。
[图6]图6是示出根据实施方式的增益的阶梯状变化的示例的说明图。
[图7]图7是示出根据实施方式的阈值组的示例的说明图。
[图8]图8是示出根据实施方式的控制单元的处理块的配置示例的框图。
[图9]图9是示出根据实施方式的控制装置的操作示例的流程图。
[图10]图10是示出根据第二实施方式的控制单元的处理块的配置示例的框图。
[图11]图11是示出根据第三实施方式的控制单元的处理块的配置示例的框图。
[图12]图12是示出根据第四实施方式的控制单元的处理块的配置示例的框图。
[图13]图13是示出根据本公开内容的实施方式的臂装置和控制装置的硬件配置示例的框图。
具体实施方式
在下文中，将参照附图来详细地描述本公开内容的优选实施方式。注意，在本说明书和附图中，利用相同的附图标记来表示基本上具有相同功能和结构的结构元件，并且省略对这些结构元件的重复说明。
注意，将按以下顺序提供描述。
1.概述
2.第一实施方式
2.1.配置示例
2.2.操作示例
3.第二实施方式
3.1.配置示例
3.2.操作示例
4.第三实施方式
4.1.配置示例
4.2.操作示例
5.第四实施方式
5.1.配置示例
5.2.操作示例
6.硬件配置示例
7.结论
<<1.概述>>
在下文中，将参照图1和图2描述本公开内容的实施方式的概述。在下文中，将描述其中根据本公开内容的实施方式的控制装置的控制目标是臂装置并且该控制装置控制臂装置的操作的示例。控制目标不限于臂装置。
<1.1.臂装置的概述>
图1是示出根据本公开内容的实施方式的臂装置100的示意性配置的说明图。臂装置100包括多个接合部102、多个连杆104和末端部106。如图1所示出的，臂装置100包括四个接合部102a至102d、四个连杆104a至104d和一个末端部106。四个连杆104a至104d连接四个接合部102a至102d和末端部106。具体地，如图1所示出的，连杆104a连接接合部102a和接合部b102b。连杆104b连接接合部102b和接合部102c。连杆104c连接接合部102c和接合部102d。连杆104d连接接合部102d和末端部106。
接合部102具有将多个连杆104彼此可旋转地连接的功能。例如，接合部102a至102d将连杆104a至104d彼此可旋转地连接。通过旋转和操作接合部102a至102d来控制臂装置100的操作。此处，在以下描述中，臂装置100的每个组成构件的位置意味着在针对操作控制而限定的空间中的位置(坐标)，并且每个组成构件的姿态意味着相对于在针对操作控制而限定的空间中的任意轴的方向(角度)。在以下描述中，臂装置100的操作(或操作控制)意味着通过执行接合部102a至102d的操作(或操作控制)来改变(控制改变)臂装置100的每个组成构件的位置和姿态。
接合部102和连杆104各自具有相对于预定旋转轴旋转的可移动部。例如，接合部102和连杆104各自具有致动器，并且通过致动器的驱动而相对于预定旋转轴旋转。当控制接合部102和连杆104的旋转时，控制臂装置100的操作，诸如例如控制臂装置100的延伸、收缩(折叠)和扭转。根据本实施方式的臂装置100包括八个自由度(DoF)，这是因为臂装置100在四个接合部102a至102d和四个连杆104a至104d中具有可移动部。因此，臂装置100是具有冗余自由度的臂装置，这是因为通常臂装置具有用于控制机器人臂的位置和姿态所需的六个自由度(针对位置的三个自由度+三个自由度)或更高的自由度。
在上述示例中，臂装置100包括四个接合部102、四个连杆104和八个可移动部。然而，接合部102、连杆104和可移动部的数目没有特别限制。例如，可以适当地设定臂装置100的接合部102、连杆104和可移动部的数目，使得通过考虑末端部106的位置和姿态的自由度来实现期望的自由度。此外，接合部102和连杆104的形状以及接合部102的旋转轴的方向等不限于图1所示出的示例。可以适当地设定形状、方向等，使得通过考虑末端部106的位置和姿态的自由度来实现期望的自由度。
在本公开内容的实施方式中，提供虚拟致动器(VA)作为设置在接合部102a至102d中的致动器。虚拟致动器是其中集成了电机、编码器、减速器和扭矩传感器的致动器单元。虚拟致动器可以控制(在下文中也被称为VA控制)接合部的操作，使得接合部102a至102d执行理想的响应并且可以根据理论模型获得响应。以这种方式，臂装置100可以执行对于作用至臂装置100的外力是被动的操作。对于虚拟致动器的细节，参见WO 2015/046081，其是本申请的申请人的在先专利申请。
如上所述，根据本实施方式的接合部102a至102d具有旋转机构。因此，在以下描述中，接合部102a至102d的操作控制具体意味着控制接合部102a至102d的接合角度和/或所产生的扭矩(由接合部102a至102d产生的扭矩)。可以由扭矩传感器来检测所产生的扭矩。例如，如在本公开内容的实施方式中那样，当使用虚拟致动器作为致动器时，通过设置在虚拟致动器中的扭矩传感器来检测所产生的扭矩。另一方面，当使用普通致动器时，由于不能自己检测所产生的扭矩，因此可以在接合部102a至102d中单独地设置扭矩传感器。
连杆104a至104e是杆状构件，并且通过接合部102连接。例如，接合部102a将连杆104a和连杆104b可旋转地连接。此外，接合部102b将连杆104b和连杆104c可旋转地连接。此外，接合部102c将连杆104c和连杆104d可旋转地连接。此外，接合部102d将连杆104d和连杆104e可旋转地连接。
可以在臂装置100的末端部106处设置各种末端单元。例如，在本公开内容的实施方式中，提供传感器装置作为末端单元。传感器装置可以包括各种传感器。例如，传感器装置可以包括摄像装置、热摄像装置、深度传感器、麦克风(在下文中也被称为麦克)、压力传感器、静电传感器、应变传感器、力传感器、惯性传感器以及生物传感器。末端部106可以包括这些传感器中的一个或组合作为传感器装置，并且可以包括多个相同类型的传感器装置。本公开内容的实施方式的末端部106包括力传感器作为传感器装置。
摄像装置是具有透镜系统、驱动系统和成像装置并且捕获图像(静止图像或移动图像)的诸如RGB摄像装置的成像设备。热摄像装置是使用红外线等捕获包括指示成像目标的温度的信息的图像的成像设备。深度传感器是获取深度信息的装置，例如红外测距仪、超声测距仪、激光成像检测和测距(LiDAR)或立体摄像装置。麦克是收集环境声音并且输出经由放大器和模数转换器(ADC)转换为数字信号的音频数据的装置。压力传感器是检测从外部作用的压力的装置。静电传感器是例如检测电容的变化的装置，并且是可以检测人体等的接近的装置。应变传感器是检测由从外部作用的拉伸力或压缩力产生的延伸或收缩的装置。力传感器是检测力和力矩的装置。惯性传感器是检测加速度和角速度的装置。生物传感器是检测生物信息例如心跳和体温的装置。
末端执行器可以被设置在末端部106处作为末端单元。末端执行器可以包括例如手、抓持器等。
已经参照图1描述了臂装置100的示意性配置。臂装置100的接合部102的操作由整体地控制臂装置100的控制装置控制。控制装置可以设置在臂装置100中，并且可以设置为经由网络连接至臂装置100的外部服务器等。在下文中，将参照图2描述根据比较示例的控制单元。
<1.2.臂装置的控制>
在下文中，在对根据本公开内容的实施方式的控制单元进行描述之前，将首先描述根据比较示例的控制单元。图2是示出根据比较示例的控制单元310的功能配置示例的框图。具有图2所示出的功能配置的控制单元310是整体地控制臂装置100的控制单元的示例。如图2所示出的，控制单元310包括笛卡尔空间控制单元312、扭矩指令值计算单元314、校正单元315、VA控制单元316和正向动力学计算单元318。
控制单元310具有笛卡尔空间控制单元312和扭矩指令值计算单元314作为用于计算用于控制控制目标20(臂装置100)的指令值的上部块。利用这两个模块，构成了用于确定整个臂装置100的位置和姿态的全轴坐标控制系统。笛卡尔空间控制单元312基于指示臂装置100的当前位置和姿态的当前位置姿态x以及指示当操作臂装置100时的目标位置和姿态的目标位置姿态xd，来计算笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)。当前位置姿态x是由正向动力学计算单元318基于臂装置100的接合部102的接合角度q执行正向动力学计算而计算出的。扭矩指令值计算单元314将由笛卡尔空间控制单元312计算出的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)转换为接合空间中的指令值τa(在下文中也被称为扭矩指令值τa)。
控制单元310包括校正单元315和VA控制单元316作为用于基于由上部块计算出的扭矩指令值τa来控制控制目标20的操作的下部块。校正单元315使用由扭矩传感器检测到的从外部施加的外部扭矩τe来校正扭矩指令值τa。具体地，校正单元315通过将外部扭矩τe与扭矩指令值τa相加来校正扭矩指令值τa。校正单元315将经校正的扭矩指令值τ输出至VA控制单元316。VA控制单元316将其中增加了外部扭矩并考虑了被动性的扭矩指令值τ(在下文中也被称为最终扭矩指令值τ)输出至臂装置100的电机指令部。臂装置100基于从VA控制单元316输入的最终扭矩指令值τ来对接合部102进行操作。接合部102的操作之后的接合角度q被输出至正向动力学计算单元318。以这种方式，臂装置100可以执行对于外力为被动的操作。
如上所述，通过对臂装置100执行VA控制，提高了臂装置100的操作的稳定性。然而，在控制单元310的配置中，虽然通过VA控制提高了稳定性，但是存在臂装置100的操作的精度降低的问题。操作精度的降低的主要原因可能在于由扭矩传感器检测到的外部扭矩τe。这是因为外部扭矩τe在VA控制系统中是指令值，而在全轴坐标控制系统中起干扰作用。
引起操作精度的降低的另一示例是臂装置100的设计误差、计算误差等。基于由接合部102的扭矩传感器检测到的外部扭矩τe、臂装置100的姿态、臂装置100的配置等来计算工作空间中的力和力矩。因此，当由于臂装置100的设计误差、计算误差等导致所计算出的力和力矩发生误差时，臂装置100的操作精度降低。
通过关注这一点来构思本公开内容的实施方式。在本公开内容的实施方式中，提出了能够根据检测到的外力来控制控制目标的操作的技术。例如，提出了能够当根据检测到的外力来操作控制目标时切换操作模式的控制系统。具体地，控制系统控制在其中控制目标执行高精度操作(第一操作)的高精度模式与其中控制目标执行高安全操作(第二操作)的高安全性模式之间的切换。
该控制系统包括臂装置100，该臂装置100包括具有致动器的接合部102和检测扭矩的扭矩传感器以及其中通过接合部102连接有多个连杆104的臂部。此外，在臂装置100的臂部的末端部106中设置有检测作用至末端部106的外力的测量值(第一外力)的力传感器。此外，控制系统包括具有控制臂装置100的操作的控制单元的控制装置。控制单元将外力的测量值与基于外部扭矩和动力学计算而估计的外力的估计值(第二外力)进行比较，并且基于比较结果来校正基于对臂装置100的移动目的(控制指令)所计算出的扭矩指令值，以控制臂装置100的操作。
具体地，控制单元基于外力的测量值与外力的估计值之间的比较结果来调节增益，并且通过应用该增益来校正扭矩指令值。更具体地，控制单元通过将基于扭矩、臂装置100的姿态和动力学计算而估计的估计扭矩乘以增益来应用增益。控制单元基于通过将估计扭矩乘以增益而获得的值来校正扭矩指令值。
已经参照图1和图2描述了本公开内容的实施方式的概述。接下来，将描述第一实施方式。
<<2.第一实施方式>>
在下文中，将描述第一实施方式。在第一实施方式中，通过使用由扭矩传感器检测到的数据的VA控制来实现高安全性模式。此外，在第一实施方式中，假定通过使用由力传感器检测到的数据的阻抗控制来实现高精度模式。
<2.1.配置示例>
在下文中，将参照图3至图8描述根据第一实施方式的配置示例。
<2.1.1.控制系统10的配置示例>
图3是示出根据第一实施方式的控制系统10的配置示例的框图。如图3所示出的，控制系统10可以包括臂装置100和控制装置200。
(1)臂装置100
如图3所示出的，臂装置100可以包括传感器单元110和接合操作单元120。
(1-1)传感器单元110
传感器单元110可以包括各种传感器。如图3所示出的，传感器单元110包括力传感器112和扭矩传感器114。力传感器112设置在臂装置100的末端部106中，并且检测施加至末端部106的外力和力矩。臂装置100的末端部106位于更靠近需要高精度操作的工作空间的位置。由于将力传感器112设置在该位置处，因此与当将力传感器设置在臂装置100的另一位置处时相比，可以以更高的精度检测力和力矩。力传感器112检测三维至六维外力和力矩。此外，当臂装置100的接合部102被操作并检测数据时，力传感器112基本上响应于臂装置100的操作而操作。即使当臂装置100的接合部102停止时，力传感器112也可以检测数据。此外，扭矩传感器114设置在臂装置100的接合部102a至102d中的每一个中，并且检测作用于接合部102a至102d中的每一个的扭矩。扭矩传感器114检测围绕接合部102的旋转轴的一维扭矩。
(1-2)接合操作单元120
接合操作单元120具有操作接合部102的功能。例如，接合操作单元120基于从控制装置200输入的最终扭矩指令值τ来操作接合部102。接合操作单元120将接合部102的操作之后的接合角度q输出至控制装置200。
(2)控制装置200
如图3所示出的，控制装置200可以包括控制单元210-1和存储单元230。
(2-1)控制单元210-1
控制单元210-1具有控制臂装置100的操作的功能。例如，控制单元210-1基于由臂装置100的传感器单元110检测到的数据来计算用于控制臂装置100的操作所需的信息。具体地，控制单元210-1基于由力传感器112和扭矩传感器114检测到的数据来计算用于臂装置100的扭矩指令值τ。此外，控制单元210-1基于由力传感器112和扭矩传感器114检测到的数据之间的关系来根据需要校正扭矩指令值τ。例如，控制单元210-1使用通过将基于臂装置100的扭矩、姿态(例如，接合角度)和动力学计算而估计的估计扭矩乘以增益而获得的值来校正扭矩指令值。控制单元210-1将作为最终扭矩指令值的最终扭矩指令值τ输出至臂装置100的接合操作单元120，并且使接合操作单元120控制接合部102的操作。
(2-2)存储单元230
存储单元230具有存储各种数据的功能。例如，存储单元230存储由臂装置100的传感器单元110检测到的传感器数据。此外，存储单元230存储在控制单元210-1的控制处理中输出的数据。此外，存储单元230存储诸如各种应用、数据等的程序。存储在存储单元230中的数据不限于上述示例。
<2.1.2.控制单元210-1的功能配置示例>
图4是示出根据第一实施方式的控制单元210-1的功能配置示例的框图。如图4所示出的，控制单元210-1包括全轴坐标控制单元211-1和接合控制单元220-1。
(1)全轴坐标控制单元211-1
如图4所示出的，全轴坐标控制单元211-1包括笛卡尔空间控制单元212-1、扭矩指令值计算单元214-1、外力估计单元216-1、外部扭矩自适应控制单元218-1和校正单元219-1。
(1-1)笛卡尔空间控制单元212-1
笛卡尔空间控制单元212-1具有计算笛卡尔空间中的指令值的功能。例如，笛卡尔空间控制单元212-1基于指示当操作臂装置100时的目标位置和姿态的目标位置姿态xd和由力传感器112在臂装置100的末端部106处检测到的外力Fs(外力的测量值)，来计算笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)。笛卡尔空间控制单元212-1将所计算出的笛卡尔空间中的指令加速度值输出至扭矩指令值计算单元214-1。
(1-2)扭矩指令值计算单元214-1
扭矩指令值计算单元214-1具有将笛卡尔空间中的指令加速度值转换为接合空间中的指令值τa(扭矩指令值τa)的功能。例如，扭矩指令值计算单元214-1基于由笛卡尔空间控制单元212-1计算出的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)来计算接合部102的角加速度(接合角度q的二阶微分值)。随后，扭矩指令值计算单元214-1基于角加速度(接合角度q的二阶微分值)来计算扭矩指令值τa。扭矩指令值计算单元214-1将计算出的扭矩指令值τa输出至校正单元219-1。
(1-3)外力估计单元216-1
外力估计单元216-1具有计算估计要作用于臂装置100的末端部106的估计外力Fex(外力的估计值)的功能。例如，外力估计单元216-1基于臂装置100的接合部102的接合角度q、角速度(接合角度q的微分值)和角加速度(接合角度q的二阶微分值)来执行逆动力学计算。外力估计单元216-1计算作为仅由于估计要设置在外部扭矩τe中的臂装置100的操作而产生的扭矩(重力、离心力等)的外部扭矩(由τ^表示)。在以下描述中，接合角度q、角速度(接合角度q的微分值)和角加速度(接合角度q的二阶微分值)也被统称为接合部102的当前状态。随后，外力估计单元216-1计算由扭矩传感器检测到的外部扭矩τe与外部扭矩(τ^)之间的差作为估计的外部扭矩(估计扭矩)τex。具体地，外力估计单元216-1从外部扭矩τe中减去外部扭矩(τ^)，以计算估计的外部扭矩τex。以这种方式，由于仅由于臂装置100的操作而产生的扭矩被抵消，因此外力估计单元216-1可以计算由于与人、环境等的碰撞而产生的外部扭矩分量。随后，外力估计单元216-1基于估计的外部扭矩τex来计算估计外力Fex。外力估计单元216-1将所计算出的估计外力Fex输出至外部扭矩自适应控制单元218-1。
(1-4)外部扭矩自适应控制单元218-1
外部扭矩自适应控制单元218-1具有在高精度模式与高安全性模式之间切换的功能。例如，外部扭矩自适应控制单元218-1将外力Fs与估计外力Fex进行比较以提取差ε，并且检测作用于整个臂装置100的外力(第三外力)的作用状态。在以下描述中，施加至整个臂装置100的外力也被称为整个外力。随后，外部扭矩自适应控制单元218-1根据作用状态在高精度模式与高安全性模式之间切换。用于提取差ε的估计外力Fex被计算为由于与人、环境等的碰撞而产生的外部扭矩分量，使得在外力估计单元216-1的计算期间，仅由于臂装置100的操作而产生的扭矩(重力、离心力等)被抵消。因此，当提取差ε时，外部扭矩自适应控制单元218-1可以在同一水平上处理估计外力Fex和由力传感器检测到的外力Fs。
在其中将未预期的整个外力施加至臂装置100的作用状态下，例如，外部扭矩自适应控制单元218-1将操作模式切换至高安全性模式。这意味着确定力传感器112和扭矩传感器114的两个传感器系统不一致。因此，外部扭矩自适应控制单元218-1切换至其中使用由力传感器112检测到的外力Fs和由扭矩传感器114检测到的外部扭矩τe执行高稳定的力控制的高安全性模式。外部扭矩自适应控制单元218-1例如通过调节增益α以接近预定值(第二值)来将高安全性模式设定为操作模式。具体地，外部扭矩自适应控制单元218-1将增益α设定为接近1。外部扭矩自适应控制单元218-1将通过将估计的外部扭矩τex乘以增益α而获得的ατex输出至校正单元219-1。由增益α指示的值是在0≤α≤1的范围内的值。此外，可以将满足0≤α≤1的条件的任意值设定为预定值(第二值)。
在其中将预期的整个外力作用于臂装置100的作用状态下，外部扭矩自适应控制单元218-1将操作模式切换至例如高精度模式。这意味着确定力传感器112和扭矩传感器114的两个传感器系统是一致的。因此，外部扭矩自适应控制单元218-1切换至其中仅使用由力传感器112检测到的外力Fs执行高精度操作的高精度模式。外部扭矩自适应控制单元218-1例如通过调节增益α以接近预定值(第一值)来将高精度模式设定为操作模式。具体地，外部扭矩自适应控制单元218-1将增益α设定为接近0。此外，当力传感器112和扭矩传感器114的两个传感器系统一致时，外部扭矩自适应控制单元218-1可以将增益α设定为0，并且预期可以在没有与周围的人或物体接触的危险的情况下执行操作。以这种方式，外部扭矩自适应控制单元218-1可以将0作为ατex输出至校正单元219-1。也就是说，外部扭矩自适应控制单元218-1可以使由扭矩传感器检测到的外部扭矩τe的输入无效。可以将满足0≤α≤1的条件的任意值设定为预定值(第一值)。
由外部扭矩自适应控制单元218-1基于差ε与预定阈值之间的比较来检测作用状态。例如，当差ε等于或大于预定阈值时，作用状态是其中将非预期的整个外力作用于臂装置100的作用状态。当差ε不等于或大于预定阈值时，作用状态是其中将预期的整个外力作用于臂装置100的作用状态。作用状态的确定条件不限于上述示例，并且可以使用任意的确定条件。
由外部扭矩自适应控制单元218-1基于差ε根据任意方法来调节增益α。例如，外部扭矩自适应控制单元218-1以连续的方式改变增益α。由此，外部扭矩自适应控制单元218-1可以以连续的方式在高精度模式与高安全性模式之间切换。图5是示出根据第一实施方式的增益的连续变化的示例的说明图。图5的左侧的增益α的连续变化的示例1示出了其中增益α线性地连续变化的示例。在图5的中央处的增益α的连续变化的示例2示出了其中增益α多项式似地连续变化的示例。在图5的右侧的增益α的连续变化的示例3示出了其中增益α非线性地连续变化的示例(表参考类型)。如图5的各个示例中所示出的，当差ε为预定范围(例如，阈值THR1至阈值THR2的范围)内的值时，外部扭矩自适应控制单元218-1可以从0至1连续地改变增益α。当差ε在阈值THR1至阈值THR2的范围内时，增益α可以以非线性函数类型或学习类型连续地改变。以这种方式，通过根据增益α的连续变化来连续地切换操作模式，臂装置100可以在操作模式的切换期间平稳地改变操作。在以下描述中，诸如阈值THR1和阈值THR2的多个阈值也被统称为阈值组。
外部扭矩自适应控制单元218-1可以不连续地改变增益α。由此，外部扭矩自适应控制单元218-1可以在高精度模式与高安全性模式之间不连续地切换。图6是示出根据第一实施方式的增益的阶梯状变化的示例的说明图。如图6中的增益α的阶梯状变化的示例中所示出的，外部扭矩自适应控制单元218-1可以以阶梯状改变增益α，使得增益α为0或1，这取决于差ε是否等于或大于预定阈值。
假定当操作模式为高安全性模式时，差ε减小，并且确定未预期的外力Fs未作用于臂装置100。在这种情况下，外部扭矩自适应控制单元218-1可以将操作模式从高安全性模式无缝地切换至高精度模式。另一方面，假定当操作模式为高精度模式时，差ε增大，并且确定未预期的外力Fs被作用于臂装置100。在这种情况下，外部扭矩自适应控制单元218-1可以将操作模式从高精度模式无缝地切换至高安全性模式。
阈值组可以适应性地改变。图7是示出根据本公开内容的实施方式的阈值组的示例的说明图。例如，外部扭矩自适应控制单元218-1根据向臂装置100指令的任务的内容来改变阈值组。具体地，当任务的内容指示与人的交互和动态环境中的操作时，由于要求臂装置100执行高安全的操作，因此外部扭矩自适应控制单元218-1如在图7的左侧的阈值组的示例1中那样设定THR1和THR2。此外，当任务的内容指示诸如精密加工或液体输送的操作时，由于需要臂装置100执行高精度操作，因此外部扭矩自适应控制单元218-1如在图7的右侧的阈值组的示例2中那样设定THR3和THR4。
阈值组可以被存储为存储单元230中的表中的直接值，并且可以由函数表示并被存储。当阈值组被存储为表中的直接值时，例如，阈值组被存储为{THR1,THR2}、{THR3,THR4}。此外，当阈值组由函数表示时，例如，阈值组被表示为THR3＝f(THR1,THR2,param)、THR4＝f’(THR1,THR2,param)。
在上述示例中，已经描述了在作为操作模式的高精度模式与高安全性模式的两个模式之间的切换。然而，可以根据臂装置100的操作的内容将操作模式切换至另一模式。例如，可以将操作模式切换至其中臂装置100相对于作用于臂装置100的未预期的外力Fs执行灵敏操作的灵敏模式。在灵敏模式下，外部扭矩自适应控制单元218-1设定阈值组，使得增益α为1.0的区域的数目增加。由此，由于臂装置100可能受到估计的外部扭矩τex的影响，因此外部扭矩自适应控制单元218-1可以控制操作，使得臂装置100相对于外力Fs更灵敏地操作。此外，可以将操作模式切换至其中臂装置100相对于作用于臂装置100的未预期的外力Fs执行不灵敏操作的不灵敏模式。在不灵敏模式下，外部扭矩自适应控制单元218-1设定阈值组，使得增益α为0.0的区域的数目增加。由此，由于臂装置100不太可能受到估计的外部扭矩τex的影响，因此外部扭矩自适应控制单元218-1可以控制操作，使得臂装置100相对于外力Fs更不灵敏地操作。
例如，外部扭矩自适应控制单元218-1可以基于过去从外力估计单元216-1输入的估计外力Fex的值和过去调节的增益α的值来执行机器学习，并且可以基于机器学习的结果来调节增益α。
(1-5)校正单元219-1
校正单元219-1具有计算最终扭矩指令值τ的功能。例如，校正单元219-1基于施加了根据高安全性模式或高精度模式而调节的增益α的ατex来校正扭矩指令值τa，并且计算最终扭矩指令值τ。具体地，当操作模式为高安全性模式时，校正单元219-1通过将ατex与扭矩指令值τa相加来校正扭矩指令值τa。由此，校正单元219-1可以计算最终扭矩指令值τ，使得臂装置100基于由力传感器112检测到的外力Fs和由扭矩传感器114检测到的外部扭矩τe执行被动操作。校正单元219-1将所计算出的最终扭矩指令值τ输出至接合控制单元220-1。
当操作模式为高精度模式时，校正单元219-1原样使用τa作为最终扭矩指令值τ，而不使用ατex。由此，校正单元219-1可以计算最终扭矩指令值τ，使得臂装置100仅基于由力传感器112检测到的外力Fs执行高精度操作。校正单元219-1将所计算出的最终扭矩指令值τ输出至接合控制单元220-1。即使当操作模式为高精度模式时，校正单元219-1也可以通过将扭矩指令值τa和ατex相加来校正扭矩指令值τa以计算最终扭矩指令值τ。
(2)接合控制单元220-1
接合控制单元220-1具有基于最终扭矩指令值τ来控制控制目标的操作的功能。当在高安全性模式下从校正单元219-1输入最终扭矩指令值τ时，接合控制单元220-1基于最终扭矩指令值τ来控制臂装置100的接合部102的操作，使得臂装置100执行被动操作。作为被动操作，例如，接合控制单元220-1操作接合部102，使得当臂装置100与人接触时，臂装置100执行沿与和人接触的方向相反的方向移动的操作，以便与人分离。当在高精度模式下从校正单元219-1输入最终扭矩指令值τ时，接合控制单元220-1基于最终扭矩指令值τ来控制臂装置100的接合部102的操作，使得臂装置100执行高精度操作。当从校正单元219-1输入在由扭矩传感器检测到的外部扭矩τe无效之后计算出的最终扭矩指令值τ时，接合控制单元220-1可以提高臂装置100的接合部102的致动器的控制刚度。由此，接合控制单元220-1可以使臂装置100的末端部106执行高精度操作。
在上文中，已经参照图3至图7描述了根据第一实施方式的控制单元210-1的功能配置示例。接下来，将描述根据第一实施方式的控制单元210-1的每个组成部件的处理的细节。
<2.1.3.控制单元210-1的处理块的配置示例>
图8是示出根据第一实施方式的控制单元210-1的处理块的配置示例的框图。如图8所示出的，笛卡尔空间控制单元212-1包括处理块212-1A。扭矩指令值计算单元214-1包括处理块214-1A和处理块214-1B。外力估计单元216-1包括处理块216-1A、处理块216-1B和处理块216-1C。外部扭矩自适应控制单元218-1包括处理块218-1A、处理块218-1B和处理块218-1C。接合控制单元220-1包括处理块220-1A。
(1)处理块212-1A
处理块212-1A执行计算在笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)的处理。例如，处理块212-1A基于目标位置姿态xd和由力传感器112检测到的外力Fs来计算笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)。当臂装置100的当前位置姿态为x时，外力的测量值Fs由下面的式(1)表示。
[数学式1]
Figure BDA0002889537830000151
在式(1)中，M指示阻抗控制中的惯性矩阵，D指示阻抗控制中的粘度矩阵，并且K指示阻抗控制中的刚度矩阵。
处理块212-1A通过下面的式(2)计算笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)，下面的式(2)从式(1)修改为e＝(x-xd)。处理块212-1A将笛卡尔空间中的所计算出的指令加速度值(当前位置姿态x中的二阶微分值)输出至处理块214-1A。
[数学式2]
Figure BDA0002889537830000161
(2)处理块214-1A
处理块214-1A执行计算接合部102的角加速度(接合角度q的二阶微分值)的处理。例如，处理块214-1A使用雅可比矩阵J的广义逆矩阵J+根据笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)计算接合部102的角加速度(接合角度q的二阶微分值)。处理块214-1A将所计算出的角加速度(接合角度q的二阶微分值)输出至处理块214-1B。在处理块214-1A中计算接合部102的角加速度(接合角度q的二阶微分值)的方法不限于使用雅可比矩阵J的广义逆矩阵J+的方法。例如，可以通过使用奇异回避逆矩阵的方法来计算接合部102的角加速度(接合角度q的二阶微分值)。
(3)处理块214-1B
处理块214-1B执行计算扭矩指令值τa的处理。例如，处理块214-1B通过基于角加速度(接合角度q的二阶微分值)执行逆动力学(ID)计算来计算扭矩指令值τa。处理块214-1B将所计算出的扭矩指令值τa输出至校正单元219-1。
(4)处理块216-1A
处理块216-1A执行计算外部扭矩(τ^)的处理。例如，处理块216-1A通过基于接合部102的接合角度q执行逆动力学计算来计算外部扭矩(τ^)。具体地，处理块216-1A通过根据接合部102的接合角度q计算角速度(接合角度q的微分值)和角加速度(接合角度q的二阶微分值)来检测接合部102的当前状态。处理块216-1A通过基于当前状态执行逆动力学计算来计算外部扭矩(τ^)。处理块216-1A将所计算出的外部扭矩(τ^)输出至处理块216-1B。外部扭矩(τ^)由下面的式(3)计算。
[数学式3]
Figure BDA0002889537830000171
在式(3)中，M^指示惯性矩阵，c^指示离心力和科里奥利力，并且g^指示重力项。
可以通过对机械部件的摩擦、齿隙和线束扭转的建模来计算外部扭矩(τ^)。例如，当对机械部件(例如，机械部件的摩擦)建模时，外部扭矩(τ^)由下面的式(4)而不是式(3)计算。
[数学式4]
Figure BDA0002889537830000172
式(4)中具有h^的项指示摩擦项。当库仑摩擦项为Fc，符号函数为sgn()，并且粘滞摩擦为D时，该摩擦项由下面的式(5)计算。
[数学式5]
Figure BDA0002889537830000173
可以通过对弹性致动器、串联弹性致动器(SEA)的弹簧常数建模来计算外部扭矩(τ^)。弹性致动器是设置有弹簧的机构，该弹簧例如是在电机与连杆之间的弹性构件。当电机侧接合角度为θ，弹簧的接合刚度为K，并且连杆侧接合角度为q时，外部扭矩(τ^)由下面的式(6)而不是式(3)和式(4)计算。
[数学式6]
Figure BDA0002889537830000174
(5)处理块216-1B
处理块216-1B执行计算估计的外部扭矩τex的处理。例如，处理块216-1B通过从由扭矩传感器114检测到的外部扭矩τe中减去由处理块216-1A计算出的外部扭矩(τ^)来计算外部扭矩τex。处理块216-1B将所计算出的外部扭矩(τ^)输出至处理块216-1C和处理块218-1C。
(6)处理块216-1C
处理块216-1C执行计算估计外力Fex的处理。例如，处理块216-1C使用雅可比矩阵J根据估计的外部扭矩τex来计算估计外力Fex。处理块216-1C将所计算出的估计外力Fex输出至处理块218-1A。
(7)处理块218-1A
处理块218-1A执行计算差ε的处理。例如，处理块218-1A通过从输入自处理块216-1C的估计外力Fex中减去由力传感器112检测到的外力Fs来计算差ε。处理块218-1A将所计算出的差ε输出至处理块218-1B。
(8)处理块218-1B
处理块218-1B执行调节增益α的处理。例如，处理块218-1B基于由处理块218-1A计算出的差ε来调节增益α。处理块218-1B将调节之后的增益α输出至处理块218-1C。
(9)处理块218-1C
处理块218-1C执行将增益α作用于估计的外部扭矩τex的处理。例如，处理块218-1C通过将从处理块216-1B输入的估计的外部扭矩τex乘以由处理块218-1B调节的增益α来计算ατex。处理块218-1C将所计算出的ατex输出至校正单元219-1。
(10)处理块220-1A
处理块220-1A执行与VA控制有关的处理。例如，当从校正单元219-1输入基于由扭矩传感器114检测到的外部扭矩而校正的最终扭矩指令值τ时，处理块220-1A控制接合部102的操作，使得臂装置100(控制目标20)执行被动操作。
在上文中，已经参照图3至图8描述了根据第一实施方式的配置示例。接下来，将描述根据第一实施方式的操作示例。
<2.2.操作示例>
在下文中，将参照图9描述根据第一实施方式的控制装置200的操作示例。图9是示出根据第一实施方式的控制装置200的操作示例的流程图。
如图9所示出的，首先，控制装置200获取由力传感器112检测到的外力Fs和由扭矩传感器114检测到的外部扭矩τe(步骤S1000)。控制装置200基于接合部102的当前状态，使用外部扭矩τe和逆动力学计算来计算估计的外部扭矩τex(步骤S1002)。控制装置200计算估计外力Fex，估计外力Fex基于估计的外部扭矩τex被估计(步骤S1004)。控制装置200计算所计算出的估计外力Fex与由力传感器112检测到的外力Fs之间的差ε(步骤S1006)。
在计算差ε之后，控制装置200设定差ε的阈值组(步骤S1008)。在步骤S1008中，可以基于距离信息d、用于臂装置100的指令和臂装置100的过去操作历史中的任意一个来确定阈值组。控制装置200基于差ε的设定阈值组来设定对应于所计算出的差ε的增益α(步骤S1010)。在设定增益α之后，控制装置200将基于控制指令值而计算出的扭矩指令值τa校正为其中将增益α作用于估计的外部扭矩τex的ατex，并且计算最终扭矩指令值τ(步骤S1012)。控制装置200基于最终扭矩指令值τ，通过操作作为控制目标的臂装置100的接合部102来控制臂装置100的操作(步骤S1014)，并且结束处理。
在上文中，已经参照图9描述了根据第一实施方式的控制单元210-1的操作示例。
在上文中，已经参照图3至图9描述了第一实施方式。接下来，将描述第二实施方式至第四实施方式。稍后描述的根据第二实施方式至第四实施方式的控制系统10与第一实施方式的控制系统10的不同之处仅在于控制单元210的处理块的配置。因此，在以下描述中，将主要描述与第一实施方式的事项不同的事项的控制单元210的处理块的配置，并且将省略与第一实施方式重复的事项的详细描述。
<<3.第二实施方式>>
在下文中，将参照图10描述第二实施方式。在上述第一实施方式中，将描述其中通过使用由力传感器检测到的数据的阻抗控制来实现高精度模式的示例。在第二实施方式中，将描述其中通过比例积分微分(PID)控制来实现高精度模式的示例。在第二实施方式中，在控制单元210-2的笛卡尔空间控制单元212-2的处理块中执行与第一实施方式的处理不同的处理。在下文中，将主要描述不同的处理。
<3.1.配置示例>
<3.1.1.控制系统10的配置示例>
根据第二实施方式的控制系统10的配置与在第一实施方式中描述的控制系统10的配置相同。因此，在本部分中，将省略对控制系统10的配置的详细描述。
<3.1.2.控制单元210-2的功能配置示例>
根据第二实施方式的控制单元210-2的功能配置与在第一实施方式中描述的控制单元210-1的功能配置相同。因此，在本部分中，将省略对控制单元210-2的功能配置的详细描述。
<3.1.3.控制单元210-2的处理块配置示例>
图10是示出根据第二实施方式的控制单元210-2的处理块的配置示例的框图。如图10所示出的，根据第二实施方式的控制单元210-2的处理块配置与第一实施方式的不同之处在于，在笛卡尔空间控制单元212-2中执行处理块212-2A的处理。因此，在本部分中，将仅描述处理块212-2A，并且将省略其他处理块的详细描述。
处理块212-2A执行计算笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)的处理。例如，处理块212-2A基于目标位置姿态xd来计算笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x中的二阶微分值)。当臂装置100的当前位置姿态为x时，在笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)由下面的式(7)表示。
[数学式7]
Figure BDA0002889537830000201
在式(7)中，Kp指示PID控制的比例增益，Kd指示PID控制的微分增益，并且Ki指示PID控制的积分增益。当使用e＝x-xd简化式(7)、s指示微分并且1/s指示积分时，式(7)被表示为下面的式(8)。
[数学式8]
Figure BDA0002889537830000202
处理块212-2A根据式(8)计算笛卡尔空间中的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)。处理块212-2A将笛卡尔空间中的所计算出的指令加速度值(当前位置姿态x中的二阶微分值)输出至处理块214-1A。
如上所述，已经描述了其中在第一实施方式中通过阻抗控制来实现高精度模式的示例以及其中在第二实施方式中通过PID控制来实现高精度模式的示例。然而，高精度模式的控制方法不限于上述示例。例如，可以通过混合控制来控制高精度模式。
在上文中，已经参照图10描述了根据第二实施方式的配置示例。接下来，将描述根据第二实施方式的操作示例。
<3.2.操作示例>
根据第二实施方式的控制装置200的操作与在第一实施方式中描述的控制装置200的操作相同。因此，在本部分中，将省略对控制装置200的操作示例的详细描述。
在上文中，已经参照图10描述了第二实施方式。接下来，将描述第三实施方式。
<<4.第三实施方式>>
在下文中，将参照图11描述第三实施方式。在第一实施方式中，已经描述了其中将VA控制用于高安全性模式的控制的示例。在第三实施方式中，将描述其中将VA控制用于高精度模式的位置控制的示例。在第三实施方式中，在控制单元210-3的接合角度指令值计算单元214-3的处理块、外力估计单元216-3的处理块以及外部扭矩自适应控制单元218-3的处理块中执行与第一实施方式的处理不同的处理。在下文中，将主要描述不同的处理。
<4.1.配置示例>
<4.1.1.控制系统10的配置示例>
根据第三实施方式的控制系统10的配置与在第一实施方式中描述的控制系统10的配置相同。因此，在本部分中，将省略对控制系统10的配置的详细描述。
<4.1.2.控制单元210-3的功能配置示例>
根据第三实施方式的控制单元210-3的功能配置与在第一实施方式中描述的控制单元210-1的功能配置相同。因此，在本部分中，将省略对控制单元210-3的功能配置的详细描述。
<4.1.3.控制单元210-3的处理块的配置示例>
图11是示出根据第三实施方式的控制单元210-3的处理块的配置示例的框图。如图11所示出的，根据第三实施方式的控制单元210-3的处理块配置与第一实施方式的不同之处在于，该处理块包括接合角度指令值计算单元214-3而不是扭矩指令值计算单元214-1。此外，控制单元210-3的处理块配置与第一实施方式中的处理块配置的不同之处在于，在外力估计单元216-3中执行除了处理块216-1A至216-1C之外的处理块216-3D的处理。此外，控制单元210-3的处理块配置的外部扭矩自适应控制单元218-3中的处理块218-3D与第一实施方式的不同。因此，在本部分中，将仅描述接合角度指令值计算单元214-3、处理块216-3D和处理块218-3D，并且将省略其他处理块的详细描述。
(1)接合角度指令值计算单元214-3
接合角度指令值计算单元214-3执行计算接合角度指令值qa的处理。首先，接合角度指令值计算单元214-3执行积分处理。例如，接合角度指令值计算单元214-3通过对笛卡尔空间中的从处理块212-1A输入的指令加速度值(当前位置姿态x的二阶微分值)进行积分来计算当前位置姿态x的一阶微分值。随后，接合角度指令值计算单元214-3通过对当前位置姿态x的一阶微分值进行积分来计算当前位置姿态x。随后，接合角度指令值计算单元214-3例如基于当前位置姿态x通过执行逆运动学(IK)来计算接合角度指令值qa。接合角度指令值计算单元214-3将所计算出的接合角度指令值qa输出至校正单元219-1。
(3)处理块216-3D
处理块216-3D执行计算接合角度qex的处理。例如，处理块216-3D使用下面的式(9)计算估计接合角度qex。处理块216-3D将所计算出的估计接合角度qex输出至处理块218-3D。在式(9)中，Ia是接合部102的假想惯性，并且va是接合部102的内部的假想粘度系数。
[数学式9]
Figure BDA0002889537830000221
(4)处理块218-3D
处理块218-3D执行将增益α作用于估计接合角度qex的处理。例如，处理块218-3D通过将从处理块216-3D输入的估计接合角度qex乘以由处理块218-1B调节的增益α来计算αqex。处理块218-3D将所计算出的αqex输出至校正单元219-1。
在上文中，已经参照图11描述了根据第三实施方式的配置示例。如上所述，根据第三实施方式的控制单元210-3不同于根据其他实施方式的控制单元210-3，并且基于角度而不是扭矩执行控制目标的控制。接下来，将描述根据第三实施方式的操作示例。
<4.2.操作示例>
根据第三实施方式的控制装置200的操作与在第一实施方式中描述的控制装置200的操作相同。因此，在本部分中，将省略对控制装置200的操作示例的详细描述。
在上文中，已经参照图11描述了第三实施方式。接下来，将描述第四实施方式。
<<5.第四实施方式>>
在下文中，将参照图12描述第四实施方式。在第一实施方式中，已经描述了其中将基于由力传感器112检测到的外力Fs和由扭矩传感器114检测到的外部扭矩τe而计算出的估计外力Fex输入至外部扭矩自适应控制单元218-1的示例。在第四实施方式中，将描述其中在外力Fs作用于臂装置100之前将外围信息也输入至外部扭矩自适应控制单元218-4的示例。在第四实施方式中，在控制单元210-4的外部扭矩自适应控制单元218-4的处理块中执行与第一实施方式中的处理块不同的处理。在下文中，将主要描述不同的处理。
<5.1.配置示例>
<5.1.1.控制系统10的配置示例>
根据第四实施方式的控制系统10的配置与在第一实施方式中描述的控制系统10的配置相同。因此，在本部分中，将省略对控制系统10的配置的详细描述。
<5.1.2.控制单元210-4的功能配置示例>
根据第四实施方式的控制单元210-4的功能配置与在第一实施方式中描述的控制单元210-1的功能配置相同。因此，在本部分中，将省略对控制单元210-4的功能配置的详细描述。
<5.1.3.控制单元210-4的处理块的配置示例>
图12是示出根据第四实施方式的控制单元210-4的处理块的配置示例的框图。如图12所示出的，根据第四实施方式的控制单元210-4的处理块配置与第一实施方式的配置的不同之处在于外部扭矩自适应控制单元218-4的处理块218-4E的处理。因此，在本部分中，将仅描述处理块218-4E，并且将省略其他处理块的详细描述。
处理块218-4E执行调节增益α的处理。例如，处理块218-4E基于除了从处理块218-1A输入的差ε之外的从外部输入的距离信息d来调节增益α。处理块218-4E将经调节的增益α输出至处理块218-1C。
在例如将外力Fs作用于臂装置100之前由传感器单元110检测距离信息d，并且被输入至处理块218-4E。例如，检测距离信息d的传感器单元110是诸如立体摄像装置和单眼摄像装置的视觉传感器、光反射器以及诸如飞行时间(ToF)传感器的距离传感器。此外，传感器单元110可以是诸如3D LiDAR(激光成像检测和测距)的测距装置和激光测距仪。具体地，距离信息d是指示从臂装置100到周围的人或物体的距离的信息。处理块218-4E可以调节增益α，使得通过预先知道到人或物体的距离来考虑避免人或物体。由此，臂装置100可以通过执行考虑到人或物体的距离的操作来避免不必要的接触，并且可以进一步改善操作的稳定性。
在上文中，参照图12描述根据第四实施方式的配置示例。接下来，将描述根据第四实施方式的操作示例。
<5.2.操作示例>
根据第四实施方式的控制装置200的操作与在第一实施方式中描述的控制装置200的操作相同。因此，在本部分中，将省略对控制装置200的操作示例的详细描述。
在上文中，已经参照图12描述了第四实施方式。接下来，将描述根据本发明的实施方式的控制装置200和臂装置100的硬件配置。
<<6.硬件配置示例>>
在下文中，将参照图12描述根据本公开内容的实施方式的控制装置200和臂装置100的硬件配置示例。图12是示出根据本公开内容的实施方式的控制装置200和臂装置100的硬件配置示例的框图。根据本实施方式的控制系统10的控制处理通过稍后描述的软件和硬件的组合来实现。
如图12所示出的，控制装置900包括中央处理单元(CPU)901、只读存储器(ROM)903和随机存取存储器(RAM)905。此外，控制装置900包括主机总线907、桥接器909、外部总线911、接口913、输入装置915、输出装置917、存储装置919、驱动器921、连接端口923和通信装置925。本文所示出的硬件配置为示例，并且可以省略组成部件中的一些。此外，硬件配置还可以包括除了本文所示出的组成部件之外的组成部件。
(CPU 901，ROM 903，RAM 905)
CPU 901例如用作算术处理单元或控制装置，并且基于记录在ROM 903、RAM 905或存储装置919中的各种程序来控制组成部件的整个操作或部分操作。ROM 903是存储读取至CPU 901中的程序以及用于计算的数据等的单元。RAM 905临时或永久地存储读取至CPU901中的程序以及在程序的执行期间适当地改变的各种参数等。CPU 901、ROM 903和RAM905通过被配置为CPU总线等的主机总线907彼此连接。例如，CPU 901、ROM 903和RAM 905可以通过与软件协作来实现参照图3描述的控制单元210-1的功能。
(主机总线907，桥接器909，外部总线911，接口913)
例如，CPU 901、ROM 903和RAM 905经由能够以高速传输数据的主机总线907彼此连接。另一方面，主机总线907经由例如桥接器909连接至其数据传输速度相对慢的外部总线911。此外，外部总线911经由接口913连接至各种组成部件。
(输入装置915)
输入装置915被实现为由用户向其输入信息的装置，诸如例如鼠标、键盘、触摸板、按钮、麦克风、开关和操纵杆。此外，输入装置915可以是使用例如红外光或其他无线电波的远程控制装置，或者可以是与控制装置900的操作兼容的外部连接装置，例如移动电话或PDA。输入装置915可以包括输入控制电路，该输入控制电路例如基于由用户使用输入单元输入的信息来生成输入信号，并且将输入信号输出至CPU 901。控制装置900的用户将各种数据输入至控制装置900，并且通过操作输入装置915指示控制装置900执行处理操作。
另外，输入装置915可以被配置为检测与用户有关的信息的装置。例如，输入装置915可以包括各种传感器，诸如图像传感器(例如，摄像装置)、深度传感器(例如，立体摄像装置)、加速度传感器、陀螺仪传感器、地磁传感器、光学传感器、声音传感器、测距传感器和力传感器。此外，输入装置915可以获取关于控制装置900的状态的信息例如控制装置900的姿态或移动速度，以及可以获取关于控制装置900的周围环境的信息例如控制装置900的周围亮度或噪声。此外，输入装置915可以包括GNSS模块，该GNSS模块接收来自全球导航卫星系统(GNSS)卫星的GNSS信号(例如，来自全球定位系统(GPS)卫星的GPS信号)并且测量包括装置的纬度、经度和高度的位置信息。此外，关于位置信息，输入装置915可以通过下述来检测位置：Wi-Fi(注册商标)、至移动电话、PHS、智能电话等的发送以及从移动电话、PHS、智能电话等的接收、近场通信等。输入装置915可以实现例如参照图3描述的传感器单元110的功能。
(输出装置917)
输出装置917由能够可视地或可听地向用户通知所获取的信息的装置形成。这样的装置的示例包括诸如CRT显示装置、液晶显示装置、等离子体显示装置、EL显示装置、激光投影仪、LED投影仪或灯的显示装置、诸如扬声器和耳机的声音输出装置、打印机装置等。例如，输出装置917输出通过由控制装置900执行的各种处理获取的结果。具体地，显示装置以诸如文本、图像、表格和图形的各种形式可视地显示通过由控制装置900执行的各种处理获取的结果。另一方面，声音输出装置将包括再现的声音数据、音频数据等的音频信号转换为模拟信号，并且可听地输出该模拟信号。
(存储装置919)
存储装置919是用于数据存储的装置，其形成为控制装置900的存储单元的示例。例如，存储装置919由诸如HDD的磁存储装置、半导体存储装置、光学存储装置、磁光存储装置等来实现。存储装置919可以包括存储介质、用于在存储介质上记录数据的记录装置、用于从存储介质读取数据的读取装置、用于删除记录在存储介质上的数据的删除装置等。存储装置919存储由CPU 901执行的程序和各种类型的数据、各种类型的从外部获取的数据等。例如，存储装置919可以实现参照图3描述的存储单元230的功能。
(驱动器921)
驱动器921是用于存储介质的读取器/写入器，并且设置在控制装置900中或者外部地附接至控制装置900。驱动器921读取记录在安装在其上的可移动存储介质例如磁盘、光盘、磁光盘或半导体存储器上的信息，并且将该信息输出至RAM 905。另外，驱动器921可以在可移动存储介质上写入信息。
(连接端口923)
连接端口923是用于连接外部连接装置的端口，诸如例如通用串行总线(USB)端口、IEEE1394端口、小型计算机系统接口(SCSI)端口、RS-232C端口或光学音频端子。
(通信装置925)
通信装置925是被配置为例如用于连接至网络930的通信装置的通信接口。通信装置925是例如有线或无线局域网(LAN)、长期演进(LTE)、蓝牙(注册商标)、用于无线USB(WUSB)的通信卡等。此外，通信装置925可以是用于光学通信的路由器、用于非对称数字用户线(ADSL)的路由器、用于各种通信的调制解调器等。例如，通信装置925可以使用诸如TCP/IP的预定协议在因特网上以及与其他通信装置一起来发送和接收信号等。
此外，网络930是从连接至网络930的装置发送的信息的有线或无线传输路径。例如，网络930可以包括诸如因特网、电话电路网络或卫星通信网络的公共电路网络、包括以太网(注册商标)、广域网(WAN)的各种局域网(LAN)等。另外，网络930可以包括专用电路网络，例如互联网协议-虚拟专用网络(IP-VPN)。
在上文中，已经参照图13描述了根据本实施方式的控制装置200和臂装置100的硬件配置示例。各个组成部件可以使用通用构件来实现，或者可以通过专用于各个组成部件的功能的硬件来实现。因此，当实施实施方式时，可以根据技术水平适当地改变要使用的硬件配置。
<<7.结论>>
如上所述，根据本公开内容的实施方式的控制装置200获取由设置在控制目标中的力传感器检测到的外力。此外，控制装置200获取由设置在控制目标的操作力传感器的可移动部中的扭矩传感器检测到的扭矩。随后，控制装置200基于所获取的扭矩来计算估计要作用于控制目标的估计外力。控制装置200将外力与估计外力进行比较，并且基于比较结果校正基于外力而计算出的扭矩指令值，以控制控制目标的操作。
如上所述，控制装置200可以基于由力传感器检测到的外力和由扭矩传感器检测到的扭矩来计算估计要作用于控制目标的估计外力。此外，控制装置200可以通过对估计外力和由力传感器检测到的外力进行比较来校正扭矩指令值，以控制控制目标的操作。也就是说，控制装置200可以根据由扭矩传感器检测到的扭矩来校正扭矩指令值，并且根据经校正的扭矩指令值来控制控制目标的操作。
因此，可以提供能够根据所检测到的外力来控制控制目标的操作的新的且改进的控制装置、控制方法以及控制系统。
虽然上面已经参照附图描述了本公开内容的优选实施方式，但是本公开内容的技术范围不限于上面的示例。本领域技术人员可以在权利要求书中描述的技术构思的范围内找到各种变更和修改，并且应当理解，这些变更和修改将自然地落入本公开内容的技术范围内。
例如，在本说明书中描述的装置可以被实现为单个装置，并且一些或全部装置可以被实现为单独的设备。例如，图3所示出的臂装置100和控制装置200也可以被实现为单个装置。此外，例如，图3所示出的控制装置200可以被实现为通过网络等连接至臂装置100的服务器装置。
注意，在本说明书中使用流程图描述的处理可以不必以所示出的顺序执行。一些处理步骤可以并行执行。此外，可以采用一些附加步骤，并且可以省略一些处理步骤。
此外，在本说明书中描述的效果仅仅是说明性或示例性的效果，而不是限制性的。也就是说，与上面的效果一起或者替代上面的效果，基于本说明书的描述，根据本公开内容的技术可以实现对于本领域技术人员而言清楚的其他效果。
注意，以下配置也落入本公开内容的技术范围内。
(1)一种控制装置，包括：控制单元，所述控制单元将由设置在控制目标中的力传感器检测到的第一外力和基于由设置在所述控制目标的可移动部中的扭矩传感器检测到的扭矩而估计的第二外力进行比较，所述可移动部使得所述力传感器能够移动，并且所述控制单元基于所述比较的结果来校正扭矩指令值以控制所述控制目标的操作。
(2)根据(1)所述的控制装置，其中，所述控制单元基于通过比较提取的所述第一外力与所述第二外力之间的差来调节增益，并且将所述增益作用于所述扭矩指令值，以控制在所述控制目标以安全性为优先进行操作的第一模式与所述控制目标以操作精度为优先进行操作的第二模式之间切换。
(3)根据(2)所述的控制装置，其中，所述控制单元基于所述差来根据作用于所述控制目标的第三外力的作用状态在所述第一模式与所述第二模式之间切换。
(4)根据(3)所述的控制装置，其中，当所述作用状态处于将所预期的第三外力作用于所述控制目标的状态下时，所述控制单元设定所述第一模式。
(5)根据(4)所述的控制装置，其中，所述控制单元通过调节所述增益以接近第一值来设定所述第一模式。
(6)根据(3)至(5)中任一项所述的控制装置，其中，当所述作用状态为将未预期的第三外力作用于所述控制目标的状态时，所述控制单元设定所述第二模式。
(7)根据(6)所述的控制装置，其中，所述控制单元通过调节所述增益以接近第二值来设定所述第二模式。
(8)根据(2)至(7)中任一项所述的控制装置，其中，所述控制单元通过连续地改变所述增益来在所述第一模式与所述第二模式之间连续地切换。
(9)根据(8)所述的控制装置，其中，当所述差为预定范围内的值时，所述控制单元连续地改变所述增益。
(10)根据(2)至(7)中任一项所述的控制装置，其中，所述控制单元通过不连续地改变所述增益来在所述第一模式与所述第二模式之间不连续地切换。
(11)根据(10)所述的控制装置，其中，所述控制单元根据所述差是否等于或大于预定阈值来以阶梯形状改变所述增益。
(12)根据(2)至(11)中任一项所述的控制装置，其中，所述控制单元基于通过将根据所述扭矩和所述控制目标的姿态估计的估计扭矩乘以所述增益而获得的值来校正所述扭矩指令值。
(13)根据(12)所述的控制装置，其中，所述控制单元通过从所述扭矩中减去作为仅由于所述控制目标的操作而产生的扭矩的外部扭矩来估计所述估计扭矩。
(14)根据(13)所述的控制装置，其中，所述控制单元通过基于所述控制目标的接合角度执行逆动力学计算来计算所述外部扭矩。
(15)一种由处理器执行的控制方法，包括：将由设置在控制目标中的力传感器检测到的第一外力与基于由设置在所述控制目标的可移动部中的扭矩传感器检测到的扭矩而估计的第二外力进行比较，并且基于比较结果来校正扭矩指令值以控制所述控制目标的操作，所述可移动部操作所述力传感器。
(16)一种控制系统，包括：臂装置，所述臂装置包括具有致动器的可移动部、通过所述可移动部连接有多个连杆的臂部、检测作用于所述可移动部的扭矩的扭矩传感器以及检测作用于所述臂部的端部的第一外力的力传感器；以及控制装置，所述控制装置包括控制单元，所述控制单元将所述第一外力和基于所述扭矩而估计的第二外力进行比较并且基于比较结果来校正扭矩指令值以控制所述臂装置的操作。
附图标记列表
10 控制系统
100 臂装置
102 接合部
104 连杆
106 末端部
110 传感器单元
112 力传感器
114 扭矩传感器
120 接合操作单元
200 控制装置
210 控制单元
211 全轴坐标控制单元
212 笛卡尔空间控制单元
214 扭矩指令值计算单元
216 外力估计单元
218 外部扭矩自适应控制单元
219 校正单元
220 接合控制单元
230 存储单元

Claims (16)

1.一种控制装置，包括：
控制单元，所述控制单元将由设置在控制目标中的力传感器检测到的第一外力与基于由设置在所述控制目标的可移动部中的扭矩传感器检测到的扭矩而估计的第二外力进行比较，所述可移动部使得所述力传感器能够移动，并且所述控制单元基于比较的结果来校正扭矩指令值以控制所述控制目标的操作。
2.根据权利要求1所述的控制装置，其中，
所述控制单元基于通过比较提取的所述第一外力与所述第二外力之间的差来调节增益，并且将所述增益应用于所述扭矩指令值，以控制在所述控制目标以安全性为优先进行操作的第一模式与所述控制目标以操作精度为优先进行操作的第二模式之间切换。
3.根据权利要求2所述的控制装置，其中，
所述控制单元基于所述差来根据作用于所述控制目标的第三外力的作用状态在所述第一模式与所述第二模式之间切换。
4.根据权利要求3所述的控制装置，其中，
当所述作用状态处于将所预期的第三外力作用于所述控制目标的状态下时，所述控制单元设定所述第一模式。
5.根据权利要求4所述的控制装置，其中，
所述控制单元通过调节所述增益以接近第一值来设定所述第一模式。
6.根据权利要求3所述的控制装置，其中，
当所述作用状态为将未预期的第三外力作用于所述控制目标的状态时，所述控制单元设定所述第二模式。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其中，
所述控制单元通过调节所述增益以接近第二值来设定所述第二模式。
8.根据权利要求2所述的控制装置，其中，
所述控制单元通过连续地改变所述增益来在所述第一模式与所述第二模式之间连续地切换。
9.根据权利要求8所述的控制装置，其中，
当所述差为预定范围内的值时，所述控制单元连续地改变所述增益。
10.根据权利要求2所述的控制装置，其中，
所述控制单元通过不连续地改变所述增益来在所述第一模式与所述第二模式之间不连续地切换。
11.根据权利要求10所述的控制装置，其中，
所述控制单元根据所述差是否等于或大于预定阈值来以阶梯状改变所述增益。
12.根据权利要求2所述的控制装置，其中，
所述控制单元基于通过将根据所述扭矩和所述控制目标的姿态估计的估计扭矩乘以所述增益而获得的值来校正所述扭矩指令值。
13.根据权利要求12所述的控制装置，其中，
所述控制单元通过从所述扭矩中减去作为仅由于所述控制目标的操作而产生的扭矩的外部扭矩来估计所述估计扭矩。
14.根据权利要求13所述的控制装置，其中，
所述控制单元通过基于所述控制目标的接合角度执行逆动力学计算来计算所述外部扭矩。
15.一种由处理器执行的控制方法，包括：
将由设置在控制目标中的力传感器检测到的第一外力与基于由设置在所述控制目标的可移动部中的扭矩传感器检测到的扭矩而估计的第二外力进行比较，并且基于比较结果来校正扭矩指令值以控制所述控制目标的操作，所述可移动部操作所述力传感器。
16.一种控制系统，包括：
臂装置，所述臂装置包括具有致动器的可移动部、通过所述可移动部连接有多个连杆的臂部、检测作用于所述可移动部的扭矩的扭矩传感器以及检测作用于所述臂部的端部的第一外力的力传感器；以及
控制装置，所述控制装置包括控制单元，所述控制单元将所述第一外力和基于所述扭矩而估计的第二外力进行比较并且基于比较结果来校正扭矩指令值以控制所述臂装置的操作。
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