JP2000166276A - ロボットの制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的な可動部を有し、その可動部の動作に
よって人間との情報の授受を行なう事を目的としたロボ
ットの内蔵電池による駆動時間を延長する。 【解決手段】 負荷の状態、方向、可動部の位置の判断
手段（１２２，１２３，１２４）を備え効果的に弱め界
磁制御（１２１）を用いる事で、通常の高負荷運転時の
モータ（１０１）の動作領域を高回転側にできるように
する。また目標値のない抵抗感表現時も含めた回生発電
制御（１３１）により充電する。また、非接触充電を人
体近接検出手段からの許可で行なう事で安全で軽便な充
電手段を提供する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機械的な可動部を
有し、その可動部の動作によって人間との情報の授受を
行なう事を目的としたロボットの制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】コンピュータソフトによるディスプレイ
内の仮想ペットは、擬似的なペットとの情緒的交流を楽
しむ目的やあるいはネットワーク上の他人との交流の精
神的な仲介物として多く使用されている。しかし、現在
の仮想ペットとの情報の授受は、人間からの発信はキー
ボードやマウス、仮想ペットすなわち情報機器からの発
信はディスプレイ装置やスピーカーによって行われるの
が一般的であり、生物のペットのように触覚を利用した
触合いや実体のある体の動作を通じての交流は不可能で
あった。そこで、実体のある人工ペットとして、センサ
やアクチュエータを備えた小型ロボットが研究されてい
る。このロボットは、機構的には一般に市販されている
子供用の玩具のロボットに近いが、内部もしくは外部に
コンピュータを備え、接触や動作によって情緒等の情報
の授受を行なう事を目的としている事に特徴がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ロボットの制御装置は人間が接触、あるいは抱き上げて
触覚による情報授受を行なうのに適し、生活環境でも邪
魔にならない大きさ、あるいは重さである室内犬程度に
ロボットを構成した場合、積載できる電池の容量とその
動作による消費電流の関係で、電源コード無しでは３０
分程度の動作が限界であった。

【０００４】そこで、その消費電流を小さくする目的
で、トルク定数の大きいモータや大きな減速比の減速器
を用いることで、ロボットの人間に対する接触表現時等
の高負荷時にモータの高効率領域で動作が可能になり電
力の利用効率を向上する事を行なっていた。しかしなが
ら、トルク定数の大きいモータを用いたり、減速比を大
きくする事によって動作速度が遅くなり、負荷の小さい
表現動作も十分な速度で行えないためロボットの表現力
が低下してしまうという課題があった。

【０００５】また、従来のロボットは、内蔵の電池への
充電を行なうための端子、あるいは電源コードが外部に
出ているために触感を悪化させ、また危険でもあった。

【０００６】そこで本発明は、触覚による情報授受に適
した大きさ、重さでかつ可動時間の長いロボットを実現
するためのロボットの制御装置を提供する事を目的とす
る。

【０００７】また、前記ロボットの内蔵電池への充電用
の端子が触覚による情報授受を阻害しないロボットの制
御装置を提供する事を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本願第１請求項に記載し
た発明は、ロボットの腕もしくは脚状の可動部を駆動す
るブラシレスモータを制御するロボットの制御装置にお
いて、固定子の発生する回転磁界を回転子の磁石による
磁界より電気角で９０°以上進める弱め界磁制御手段を
備えたロボットの制御装置である。

【０００９】弱め界磁制御は、永久磁石を回転子に備え
たブラシレスモータにおいて、磁石の極性と逆の磁界を
対向して固定子のコイルで発生させ、磁石界磁を弱めた
状態で、さらに固定子コイルで回転子駆動用の界磁を発
生させる事により実現する。結果的に、固定子の合成発
生磁界は、回転子磁界より９０°以上進んだ状態にな
る。その結果、磁石の界磁は弱められ、同じ電圧での無
負荷回転数は大きくなり高速回転が可能になる。従って
トルク定数の大きなモータを用いる、あるいは減速比を
大きくする等の対策によって、人間に対しての接触表現
時等の負荷の大きい場合に高効率な運転が可能な設定と
した場合においても、負荷が小さいときには弱め界磁制
御を行なう事でモータを通常運転時よりも高速回転さ
せ、表現力を向上する事ができるのである。

【００１０】本願第２および第３請求項に記載した発明
は、ロボットの可動部の負荷状態検出手段と、前記負荷
状態検出手段の検出した負荷が駆動方向に対して一定値
以下であるときのみ弱め界磁制御を行なう弱め界磁制御
手段を備えたことを特徴とするロボットの制御装置と前
記負荷状態検出手段が、可動部に設けられた接触検出手
段もしくは圧力検出手段であることを特徴とするロボッ
トの制御装置である。

【００１１】ロボットが人間に接触して接触表現を行な
う場合、人間の肉体方向への動作速度は、危害を加えな
いためにもゆっくりとしたものである必要がある。一
方、人間の肉体から離れる方向の動作は特にゆっくりす
る必要はなく、逆に視覚に訴える表現能力を高める目的
では、早い動作が可能な方が好ましい。一方、肉体方向
の動作はそれが抵抗を伴い大きな力が必要であるが、逆
に肉体からはなれる方向の動作は負荷は小さい。本発明
は、この特徴を有効に利用して消費電力を低減すること
を目的としている。

【００１２】本願第４請求項に記載した発明は、ロボッ
トの可動部の位置検出手段を備え、前記位置検出手段の
検出した位置が所定の範囲内であるときのみ弱め界磁制
御を行なう弱め界磁制御手段を備えたロボットの制御装
置である。人間に接触する事を前提としたロボットは、
ぬいぐるみのように柔軟な材質で被われるのが一般的で
ある。これらの柔軟素材は可動範囲の両端では比較的動
作抵抗が大きくなる。この動作抵抗の大きい状態では、
高効率、高出力トルクであるが動作速度の遅い通常の運
転方法を用い、抵抗負荷の小さい動作領域の中心部にお
いて弱め界磁制御を行なうことで、表現力への影響を小
さくした状態で電力消費を押さえる事が可能である。

【００１３】本願第５および第６請求項に記載した発明
は、ロボットの腕もしくは脚状の可動部を駆動するブラ
シレスモータを制御するロボットの制御装置において、
可動部が外力で動かされた場合に回生発電を行なう回生
発電制御手段を備えたロボットの制御装置および前記回
生発電はロボット抵抗感発生手段からの信号で行われる
回生発電制御手段を備えたロボットの制御装置である。

【００１４】ロボットが電源コード無しで動作している
ときには内部の電池の電力は消費される一方である。従
って、人間が接触してロボットの腕部や脚部を動かした
とき等に電池への充電手段として回生発電を行なう事で
ロボットの動作可能時間を延長する事が可能になる。し
かも、回生発電時の腕部や脚部の動作抵抗をロボット抵
抗感発生手段により適正に保つ事で単なる充電作業では
なく人間に対して動作抵抗の形で接触表現を与える事が
可能になるのである。

【００１５】本願第７および第８請求項に記載した発明
は、電池を内蔵して動作するロボットの制御装置におい
て、電磁界を用いた非接触充電制御手段を備えたロボッ
トの制御装置と人体近接検出手段を具備し、電磁界を用
いた非接触充電が人体との距離が一定値以下になると停
止する非接触充電制御手段を備えたロボットの制御装置
である。

【００１６】前述したように、人間に接触する事を前提
としたロボットは柔軟素材で被われる事が多いため、充
電のための端子、コードが外部に出ている事は触感上も
安全のためにも好ましくはない。本発明は、例えば離れ
たコイル間に発生する電磁誘導作用による、電磁界を用
いた非接触充電手段を備える事でロボットの外部に硬質
の端子等を備える事無く充電を可能にする制御装置であ
る。また、人体への電磁界の影響は現段階で解明されて
いるとは言えないため、人体が設定されている距離より
近い場所に来ると非接触充電を停止する事で安全を確保
している。電磁界は距離の２乗で減衰する事は自明のた
め効果の高い安全対策となる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明のロボット制御装
置の具体例を図面に基づいて説明する。

【００１８】図１は本発明のロボットの制御装置の１実
施例を示すブロック図である。制御対象であるモータ１
０１は回転子に永久磁石を持つブラシレスモータであ
り、減速器１０２とポテンショメータ１０３が直結され
出力シャフト１０４で図示しないロボットの可動部を動
かす構造となっている。

【００１９】ロボットの動作は動作表現発生装置１１１
によって決定されるが、その動作は、人間の触覚に作用
する場合と人間の視覚に訴える場合がある。またモータ
は、駆動力を発生する場合と制動力を発生する場合に大
別される。これらの動作表現発生装置１１１の信号は、
回転方向、目標値、回転速度、駆動力、制動力等の司令
値としてモータ制御装置１１２に伝達される。モータ制
御装置１１２ではモータ駆動回路１１３のブリッジ回路
のトランジスタ等の各素子へのＰＷＭ信号が生成されモ
ータ駆動回路１１３に伝達され、モータ１０１が駆動さ
れるのである。

【００２０】ここで、永久磁石を界磁に使用するブラシ
レスモータの動作について図２のモータの動作グラフの
図を用いて説明する。本グラフではモータの通常運転時
の回転数−トルク曲線１０１、回転数−効率曲線１０２
が横軸に回転数、縦軸にトルクおよび効率をとって示し
てある。回転数−トルク曲線１０１に示すように、ブラ
シレスモータのトルクは回転子の磁石界磁による逆起電
圧の影響で回転数が高まるにしたがって小さくなる。逆
に効率は回転数−効率曲線１０２に示すように比較的回
転数の高いところで高効率となる。したがって、大きな
電力を消費する大きな駆動力を必要とする運転は、モー
タ自体が最高回転数に近い領域で行われる事が消費電力
を低減しロボットの駆動時間を延ばす上で望ましい。ま
た駆動力を要する運転は、触覚による情報授受時等の人
間に接触したときであるから、この時の駆動速度は大き
いものは必要が無い。したがって減速比を大きくしたり
当初から最高回転数が小さいモータを使用することによ
り、エネルギー効率が良い状態での接触表現か可能とな
っている。

【００２１】このモータの通常運転のみでは、回転数軸
と回転数−トルク曲線１０１の交点の回転数が最高回転
数になり、人間に向かってロボットが手を振る等の比較
的早い動きが必要な視覚に訴える表現に支障が出る。し
たがって本発明では、図１の１２１に示す弱め界磁制御
回路を備えている。弱め界磁制御は、駆動力を発生させ
る固定子側の回転磁界に同じ速度で回転し、回転子の永
久磁石の極に対向しかつ逆極性の磁界を重畳する制御方
法で、結果として永久磁石界磁が見かけ上弱くなった状
態の動作をモータに行なわせる事ができる。図２の２１
１が弱め界磁運転時の回転数−トルク曲線、２１２が弱
め界磁状態の回転数−効率曲線である。永久磁石界磁が
小さくなり、磁石による逆起電力が小さくなった結果最
高回転数は上昇している。通常運転時の回転数−トルク
曲線２０１と弱め界磁状態の回転数−トルク曲線２１１
に囲まれた領域が弱め界磁制御によって付加される運転
領域２２０である。

【００２２】弱め制御は界磁を弱めるための電流を消費
するため通常運転に比してその効率は良くない。したが
って本発明のロボットの制御装置は弱め界磁による高速
運転が効果的かつ安全に機能する状態を検出するための
判断装置を備えている。負荷状態判断装置１２２と負荷
方向判断装置１２３は人間に接触している場合等に負荷
状態をモータ駆動回路１１３におけるモータに流れる電
流等から検出し、可動部が人間の方向に向かう状態での
弱め界磁による高速動作を行なわないようにするもので
ある。これは人間に向かう方向では負荷が大きく電流値
も大きくなる事から検出が可能で、また人間が負荷にな
っている方向への動作は、触覚表現になるため大きな速
度は必要が無く、しかも危険を伴う可能性があるからで
ある。

【００２３】また、本発明のロボットの制御装置は可動
部位置判断装置１２４を備えるため可動部の位置がロボ
ットの外皮による抵抗が大きい可動部の両端での弱め界
磁動作を禁止する事ができる。この場合可動領域の中心
に向かう動作は外皮の抵抗が小さいため、弱め界磁は禁
止されない。

【００２４】このように、大きなエネルギーを消費し、
その動作回数も多い通常の接触運転を通常運転の最適動
作領域での動作とし、機会の少ない高速運転を弱め界磁
で実現する事によって、本発明のロボットの制御装置は
ロボットに必要な表現動作を制限する事無く消費電力の
低減を行ないロボットの駆動時間を延長する事ができる
のである。

【００２５】次に、本発明のロボットの制御装置の回生
発電動作について説明する。本発明のロボットの制御装
置は、回生発電制御回路１３１を備えその信号によって
モータ制御装置１１２は制動動作時に回生発電を行なう
事ができる。回生発電はモータ駆動回路１１３のブリッ
ジ回路の上アームを全相オフとし、下アームを全相同時
にチョップ動作させる事で実現する。この回生発電で得
られた電力は電池に充電されロボットの動作時間を延長
する事が可能である。通常の制動動作は、動作表現発生
装置１１の指示した速度より動作速度が大きい場合等に
行われる。また本発明のロボットの制御装置は、抵抗感
発生手段として抵抗感発生装置を動作表現発生装置１１
１内部に備えているためロボットの硬直状態表現等の速
度や位置の目標値の無い場合にも抵抗感を発生する事が
可能でその際も回生発電制御装置１３１への指示により
抵抗感を発生しながら人間が可動部を動かすといった外
力によって回生発電が可能である。

【００２６】なお、回生発電の発電効率向上のためには
昇圧幅が小さい事が重要である。本発明のロボットの制
御装置は前述した弱め界磁制御を用いて高速動作を実現
する設定であるため、外部から可動部を動作させたとき
のモータの発生電圧は、低速で可動部を動かした場合に
おいても通常の制御方法のみを用いた従来方法に比較し
て大きい。したがって高効率の回生発電が可能になるの
である。

【００２７】次に本発明の別の実施例に関して図３を用
いて説明する。３００はロボットの外皮の一部で図中ロ
ボット外皮３００より上に記述したものはロボットの内
部の装置である。３１０は充電装置で内部に１次コイル
駆動装置３１３と１次側信号コイル３１２、１次コイル
３１１を備えてる。１次コイル３１１は１次コイル駆動
装置３１３の交流電流によって駆動され交流磁界を発生
する。ロボット内部にある２次コイル３２１は１次コイ
ル３１１の磁界を受けて電圧を発生し充電制御装置３３
１を通じて整流、電圧制御され内蔵２次電池３３２は充
電される。この非接触送電によってロボットの充電時に
用いられる端子が不必要となり、安全性や触感を阻害し
ない状態でロボットの充電が可能になるのである。ま
た、非接触送電はその原理上、電磁波を発生する。この
電磁波による人体への影響は解明されていないが、現段
階では電磁波を受ける可能性が小さいほうが好ましいと
いえる。そこで、本発明のロボットの制御装置において
はロボットが通常は人間の近接を感知し表現を行なうた
めに人体近接検出手段として備えている赤外線センサ３
４２の信号により非接触送電制御装置３４１の介して２
次側信号コイルか３２２から１次側信号コイル３１２に
非接触送電制御信号を電送し、その信号によって１次コ
イル駆動装置３１３を制御する事で、人間が近接してい
る場合には電磁送電を停止し、電磁波が人体に届かない
ように制御する事で安全性を確保している。この非接触
送電の制御を可能とする本発明のロボットの制御装置
は、ロボットのみならず、非接触送電による電力伝送を
行なう携帯電話等の電池を備えた携帯機器等においても
応用可能で、また、人体近接検出手段は充電装置側に備
えても良い。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のロボット
の制御装置は、人間との接触状態では通常動作を行ない
高速動作が必要でかつ有効な場合に限って弱め界磁制御
でモータを高速運転する事で、消費電力の大半を占める
負荷の大きい動作時にモータの高効率領域での運転を可
能にして、消費電力を低減して動作可能時間の長いロボ
ットを提供できるようにする。また、回生発電制御を行
ない、人間のからの動作による発電を可能にしているた
め、さらのに動作時間の延長ができる。回生発電に効率
は、通常動作でモータの逆起電圧が高い状態に設定可能
であるため発電時は高い効率で行われる。

【００２９】また、非接触送電による充電によって、端
子等を無くした安全で触感の良いロボットの製作が可能
でさらに人体に安全な近接時の非接触送電停止を近接セ
ンサで人体を検出して行なうため電磁波の危険からも回
避が可能である。

【００３０】さらに、本発明のロボットの制御装置は、
アクチュエータを備えたコンピュータ入力装置、例えば
力覚提示型のジョイスティック等にも利用が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の具体例に係り、ロボットの制御装置
を示すブロック図である。

【図２】 本発明のロボットの制御装置によるモータの
動作を示すグラフの図である。

【図３】 本発明の具体例に係り、ロボットの制御装置
を示すブロック図である。

【符号の説明】

１０１．モータ １０２．減速器 １０３．ポテンショメータ １０４．出力軸 １１１．動作表現発生装置 １１２．モータ制御装置 １１３．モータ駆動回路 １２１．弱め界磁制御回路 １２２．負荷状態判断装置 １２３．負荷方向判断装置 １２４．可動部位置判断装置 １３１．回生発電制御回路 ２０１．通常運転時の回転数−トルク曲線 ２０２．通常運転時の回転数−効率曲線 ２１１．弱め界磁運転時の回転数−トルク曲線 ２１２．弱め界磁運転時の回転数−効率曲線 ２１３．弱め界磁制御によって付加される運転領域 ３００．ロボット外皮 ３１０．充電装置 ３１１．１次コイル ３１２．１次側信号コイル ３１３．１次コイル駆動装置 ３２１．２次コイル ３２２．２次側信号コイル ３３１．充電制御装置 ３３２．内蔵２次電池 ３４１．非接触送電制御装置 ３４２．赤外線センサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3F059 AA00 BB06 CA04 DA05 DA08 DC01 DC04 FC11 5H560 AA07 DA00 DC06 DC07 SS02 XA05

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ロボットの腕もしくは脚状の可動部を駆
   動するブラシレスモータを制御するロボットの制御装置
   において、前記ロボットの制御装置は、固定子の発生す
   る回転磁界を回転子の磁石による磁界より電気角で９０
   °以上進める弱め界磁制御手段を備えた事を特徴とする
   ロボットの制御装置。
2. 【請求項２】 ロボットの可動部の負荷状態検出手段
   と、前記負荷状態検出手段の検出した負荷が駆動方向に
   対して一定値以下であるときのみ弱め界磁制御を行なう
   弱め界磁制御手段を備えたことを特徴とする請求項１記
   載のロボットの制御装置。
3. 【請求項３】 負荷状態検出手段が、可動部に設けられ
   た接触検出手段もしくは圧力検出手段であることを特徴
   とする請求項２記載のロボットの制御装置。
4. 【請求項４】 ロボットの可動部の位置検出手段を備
   え、前記位置検出手段の検出した位置が所定の範囲内で
   あるときのみ弱め界磁制御を行なう弱め界磁制御手段を
   備えたことを特徴とする請求項１記載のロボットの制御
   装置。
5. 【請求項５】 ロボットの腕もしくは脚状の可動部を駆
   動するブラシレスモータを制御するロボットの制御装置
   において、可動部が外力で動かされた場合に回生発電を
   行なう回生発電制御手段を備えたことを特徴とするロボ
   ットの制御装置。
6. 【請求項６】 回生発電はロボット抵抗感発生手段から
   の信号で行われる回生発電制御手段を備えたことを特徴
   とする請求項５記載のロボットの制御装置。
7. 【請求項７】 電池を内蔵して動作するロボットの制御
   装置において、電磁界を用いた非接触充電制御手段を備
   えた事を特徴とするロボットの制御装置。
8. 【請求項８】 人体近接検出手段を具備し、電磁界を用
   いた非接触充電が人体との距離が一定値以下になると停
   止する非接触充電制御手段を備えた事を特徴とする請求
   項７記載のロボットの制御装置。