JP2001287181A

JP2001287181A - アクチュエータ駆動制御方式、並びにアクチュエータのための駆動制御装置

Info

Publication number: JP2001287181A
Application number: JP2000107799A
Authority: JP
Inventors: Shinji Ishii; 眞二石井
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-04-10
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2001-10-16
Anticipated expiration: 2020-04-10
Also published as: JP4281210B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複数のアクチュエータを外部環境の負荷変動
に適応して同期協調的に駆動制御する。【解決手段】関節アクチュエータに作用する外力が急
激に変化することに応じて、制御指示値とともにサーボ
・パラメータをリアルタイムで供給して、アクチュエー
タの特性を適切に変化させる。外部環境からの負荷変動
が不明確な場合、低速な動作指令とその応答時間が低速
になるサーボ・パラメータを与え、制御指示値よりも外
部環境下の負荷の大きさに依存したアクチュエータの駆
動制御を行わせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ロボット、汎用組
立機器、ロボット・ハンド機器、その他の多軸制御装置
などのような複数のアクチュエータで構成される機械装
置に対して適用されるアクチュエータ駆動制御方式に係
り、特に、複数のアクチュエータを外部環境からの負荷
変動に対して同期協調的に駆動することができるアクチ
ュエータ駆動制御方式に関する。

【０００２】更に詳しくは、本発明は、シリアル通信を
用いることで、少ない配線数によって複数のアクチュエ
ータを同期協調的に駆動することができるアクチュエー
タ駆動制御方式に係り、特に、短時間のシリアル通信に
よって、複数のアクチュエータを外部環境からの負荷変
動に対して同期協調的に駆動することができるアクチュ
エータ駆動制御方式に関する。

【０００３】

【従来の技術】電気的若しくは磁気的な作用を用いて人
間の動作に似せた運動を行う機械装置のことを「ロボッ
ト」という。ロボットの語源は、スラブ語の"ＲＯＢＯ
ＴＡ(奴隷機械)"に由来すると言われている。わが国で
は、ロボットが普及し始めたのは１９６０年代末からで
あるが、その多くは、工場における生産作業の自動化・
無人化などを目的としたマニピュレータや搬送ロボット
などの産業用ロボット（industrial robot）であった。

【０００４】ロボットは、一般には、関節自由度を表現
するための複数のアクチュエータからなる機械装置であ
る。関節部の各自由度には、アクチュエータと、アクチ
ュエータの変位を測定するエンコーダと、エンコーダの
検出信号をフィードバックしながら指示値通りにアクチ
ュエータの駆動を適応的に制御する駆動制御回路とから
なる駆動系とが配備されて、ロボットの駆動系を構成し
ている。さらに、中央コントローラが、ロボットが所定
の動作パターンを実行するように、ロボット全体の駆動
系を統括的に制御するようになっている。

【０００５】多軸すなわち多数の駆動系を持つロボット
の場合、全体構造の簡素化のため、小型且つ軽量である
ことが好ましい。特に、人間型ロボットやペット・ロボ
ットのような、膨大数の関節自由度を持つロボットの場
合、ロール、ピッチ、ヨーなど２以上の自由度を含むよ
うな集積度の高い関節を多く含むため、アクチュエータ
が大きいと各関節部部は肥大化してしまい不恰好とな
る。また、関節部周辺の配線も混雑してしまう。また、
アクチュエータが重量物であると、ロボット全体の重量
も当然増大するので、移動作業に要する負荷も過大とな
ってしまう。

【０００６】また、ロボットのような多軸駆動系機械装
置においては、任意の作業空間において比較的自由度の
高い運動を実現することが望まれている。したがって、
作業期間中には不定な外部環境から受ける負荷は常にに
変化するため、単に各軸アクチュエータの同期をとなり
がら協調的に動作制御するだけでは不充分であり、外部
環境を考慮した動的な制御が必要である。

【０００７】例えば、人間型ロボットのような２足直立
型の脚式移動ロボットにおいては、片足が接地するとと
もに、他方の足が空間を移動するという動作を繰り返す
ことで、歩行を実現することができる。歩行のような脚
式作業の期間中、それぞれの足は、ロボット自身の慣性
モーメントと自重の力が加わる状態（立脚）と、慣性モ
ーメントと自重が加わらない状態（遊脚）とが交互に入
れ替わる。さらに、空間上の遊脚側の足が床面に接地す
るとき、床面の高さを完全に予測することは困難である
ため、足首関節部のアクチュエータには慣性モーメント
や自重による力が急激な変化で作用することになる。か
かる外部環境の急激な変化により、ロボットは姿勢の安
定度を失う結果として、歩行不能若しくは転倒という事
態を招来する。転倒によりロボットが壊滅的な破損を被
る可能性があるし、転倒によって衝突する相手側にも相
当の被害が及ぶであろう。

【０００８】多軸ロボットが、上述したように複数の駆
動系と1つの中央コントローラとで構成されるような場
合、中央コントローラにおいて同期をとりながら各駆動
系に対して外部環境の変化に応じた動作指示及び制御パ
ラメータ（アクチュエータの制御ゲインなど）を送るこ
とによって、外部環境の変化に適応した全身の協調的動
作を実現することができる。

【０００９】例えば、中央コントローラのローカルに、
全ての駆動系を並列的に接続させておけば、中央コント
ローラが各駆動系に対して同時に動作指示を発行するこ
とによって、各アクチュエータの同期をとるとともに、
外部環境の変化に高速に対応させた全身協調的な動作を
実現することができる。

【００１０】しかしながら、中央コントローラに全ての
駆動系を並列的に接続させたのでは、中央コントローラ
周辺における配線密度が高まり、ロボットの設計や組立
が複雑になる。また、中央コントローラは、駆動系の個
数に応じて入出力ポートを用意しなければならず、中央
コントローラ自体の設計も困難になりコスト増大を招い
てしまう。また、自由度の増大は、中央コントローラの
ポート数の増加を伴うので配線設計者の負担や製造コス
トが増大してしまう。

【００１１】中央コントローラにおける配線の混雑を解
消する容易な方法は、各駆動系の並列的な接続をやめ
て、直列的シリアル・インターフェースを用いて複数の
駆動系を直列的に順次接続していくことである。例えば
デイジー・チェーン方式で連結することで、単一のデー
タ転送ストリームを複数の駆動系で共有することがで
き、装置の配線関係を簡素化することができる。

【００１２】シリアル通信方式として、例えばＲＳ（Re
commended Standard）−２３２Ｃのような調歩同期式シ
リアル通信方式と、同期式シリアル通信方式とを挙げる
ことができる。

【００１３】前者の調歩同期とは、スタート・ビットで
始まりストップ・ビットで終わるという所定長のビット
列でデータを送信し、受信側ではこれらスタート及びス
トップ・ビットを検出して受信データを識別する方式で
あり、予め決められたサンプリング周波数でビット列を
検出してデータを認識することができる。しかしなが
ら、この調歩同期方式は、転送速度が遅く、また、送信
データはＡＳＣＩＩ（American Standard Code for Inf
ormation Interchange）コードに従うためにデータ長が
長くなってしまう。このため、複数の駆動系を調歩同期
方式でデイジー・チェーン接続すると、各駆動系が受信
データを同期して実行できるという保証がない。また、
駆動系の接続数に比例して遅延時間が増大してしまう。

【００１４】例えば、人間型ロボットのように比較的関
節自由度が高く（言い換えれば駆動系の接続数が多
く）、且つ、直立歩行のようにリアルタイムで姿勢制御
を行わなければならない場合には、調歩同期式では充分
なデータ転送速度を得ることができない。

【００１５】他方、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）に
代表されるような同期シリアル通信方式を用いた場合、
ＵＳＢハブを介して各駆動系をデイジーチェーン接続す
ることで、同期制御は担保される。また、ＵＳＢインタ
ーフェースは、いわゆるＰｎＰ（プラグ・アンド・プレ
イ）機能をサポートすることから、電源を切ることなく
ロボット装置の各部の取り付けや交換などの作業を行う
ことができる。また、ＵＳＢは、既に汎用インターフェ
ースとして広く普及していることから、各種のＵＳＢ対
応部品を比較的安価に入手することができる。

【００１６】図１には、ＵＳＢインターフェースを用い
て構成された多軸制御ロボットの制御システムを模式的
に示している。同図に示す例では、ホスト（上位）・コ
ントローラとしてのルートＵＳＢは、最大４個のＵＳＢ
デバイスを接続可能なＵＳＢハブを介して、各関節アク
チュエータと連絡している。例えば、本出願人に既に譲
渡されている特願平１１−１２９２０６号には、ＵＳＢ
仕様に準拠するＯＰＥＮ−Ｒバスで構成されたロボット
装置について開示されている。

【００１７】しかしながら、図１に示すようにＵＳＢイ
ンターフェースのみを用いて駆動制御系を構成すると、
ＵＳＢハブを追加することで軸数の増加に対応しなけれ
ばならず、駆動部間の接続数に比例して配線が増大して
しまう。図１に示す例では、５台目のＵＳＢデバイス
（駆動制御装置＃５）を増設するためには、ＵＳＢハブ
＃１にＵＳＢハブ＃２を接続して、このＵＳＢハブ＃２
に対してＵＳＢデバイス＃４及びＵＳＢデバイス＃５を
カスケード接続しなければならない。したがって、２足
歩行ロボットのように自由度が膨大な機械装置に対して
図１に示すようなＵＳＢ接続方式を採用すると、配線が
著しく混雑してしまい、配線・回路設計が困難となる。

【００１８】ＵＳＢの規約では、１つの制御システムに
２以上のホスト（すなわちルートＵＳＢ）が存在するこ
とが許されず、また、ホストを介さないでデバイス側に
データ転送を行うこともできない。このため、ＵＳＢデ
バイスとしてのアクチュエータ数が増加すると、システ
ム全体の制御周期はＵＳＢデバイスの数に支配されるこ
とになる。例えば、図１に示すような５軸構成の場合、
ルートＵＳＢからのデータ転送は１ｍｓｅｃ毎の１回と
規定されていることから、システム全体ではデータ転送
開始から終了まで５ｍｓｅｃを要してしまう。

【００１９】例えば２足歩行ロボットのように、多数の
関節軸を備えた姿勢不安定な機械装置に対して姿勢制御
を行うとき、各アクチュエータのエンコーダ出力（すな
わち現在位置情報）をリアルタイムで受信するととも
に、各アクチュエータへの制御指示値をできる限り高速
に送信することが要求される。これに対し、図１に示す
ようなＵＳＢインターフェースを用いた通信方式の場
合、関節軸数の増加に応じて制御周期が長くなるので、
歩行時などの姿勢安定制御には限界がある。

【００２０】一般には、２足などによる直立歩行型ロボ
ットの姿勢安定制御には、１０ｍｓｅｃ以下の制御周期
が必要と言われている。図１に示すようなＵＳＢ接続方
式によると、１回のデータ転送に必ずホスト（ＵＳＢル
ート・コントローラ）が介在しなければならないこと
と、１回当たりのＵＳＢデータ転送には１ｍｓｅｃを要
することから、１０軸以下のロボットしか構成すること
ができない。言い換えれば、図１に示すＵＳＢ接続方式
では、２足歩行ロボットのように１０軸以上の自由度を
要求する多軸機械装置の仕様を満たすことができない。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ロボ
ット、汎用組立機器、ロボット・ハンド機器、その他の
多軸制御装置などのような複数のアクチュエータで構成
される機械装置に対して適用することができる、優れた
アクチュエータ駆動制御方式を提供することにある。

【００２２】本発明の更なる目的は、複数のアクチュエ
ータを同期協調的に駆動することができる、優れたアク
チュエータ駆動制御方式を提供することにある。

【００２３】本発明の更なる目的は、シリアル通信を用
いることで、少ない配線数によって複数のアクチュエー
タを同期協調的に駆動することができる、優れたアクチ
ュエータ駆動制御方式を提供することにある。

【００２４】本発明の更なる目的は、短時間のシリアル
通信によって、複数のアクチュエータを同期協調的に駆
動することができる、優れたアクチュエータ駆動制御方
式を提供することにある。

【００２５】本発明の更なる目的は、指令データと制御
パラメータを複合した通信データを伝送するシリアル通
信方式によって、複数のアクチュエータを外部環境の負
荷変動に適応して同期協調的に駆動制御することができ
る、優れたアクチュエータ駆動制御方式を提供すること
にある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を参
酌してなされたものであり、その第１の側面は、複数の
アクチュエータからなる多軸機械装置の駆動を制御する
ためのアクチュエータ駆動制御方式であって、各アクチ
ュエータに対する指示データを発行する中央コントロー
ラと、指示データに従ってアクチュエータの駆動を制御
する、各アクチュエータ毎に設けられた複数の駆動制御
部と、一方の駆動制御部のデータ出力手段を他方の駆動
制御部のデータ入力手段に順次接続する相互接続手段と
を備え、前記中央コントローラは、前記相互接続手段に
より先頭位置に接続された駆動制御部のデータ入力手段
に１以上の駆動制御部に対する指示データ及び／又は制
御変数を含むデータ・フレームを送出することを特徴と
するアクチュエータ駆動制御方式である。

【００２７】データ・フレームに含めることができる制
御変数とは、例えば、アクチュエータのフィードバック
制御系における位置ゲイン、積分ゲイン、微分ゲイン、
又はデジタル・フィルタのカットオフ周波数パラメー
タ、又はアクチュエータ温度センサの感度パラメータ、
又はアクチュエータ・コイル電流の時定数補正パラメー
タ、又はアクチュエータ・コイルの電圧補正パラメー
タ、又はアナログ位置センサ、オフセット調整パラメー
タ、又はアクチュエータ最大速度制限パラメータ、又は
アクチュエータ最大トルク制限パラメータなどである。

【００２８】また、各駆動制御部はアクチュエータの受
信データ・フレームに現在位置データを付けて送出する
ようにしてもよい。このような場合、前記中央コントロ
ーラは、前記相互接続手段により最後尾に接続された駆
動制御部のデータ出力手段から送出されるデータ・フレ
ームを受信する受信部を備えることで、各アクチュエー
タの現在位置データを戻り値として受け取ることができ
る。

【００２９】また、前記相互接続手段は、同期シリアル
通信又は調歩同期シリアル通信によりデータ・フレーム
の転送を行うようにしてもよい。

【００３０】また、前記中央コントローラは、第１のバ
ス・インターフェースと、前記相互接続手段に接続する
ための第２のバス・インターフェースと、第１及び第２
のバス・インターフェース間のプロトコル変換を実現す
る制御部とを備えてもよい。

【００３１】第１のバス・インターフェースは、例え
ば、情報処理・情報通信技術において汎用的なＵＳＢ
（Universal Serial Bus）バス・インターフェースでよ
い。また、第２のバス・インターフェースは同期シリア
ル通信インターフェースでよい。このような場合、中央
コントローラは、外部のＵＳＢルート・コントローラか
らUSBバス経由で受信するコマンドに従って動作するこ
とができる。さらに、複数の中央コントローラを、ＵＳ
Ｂハブで集線して、１つのＵＳＢコントローラによって
複数の中央コントローラを統括にコントロールすること
ができる。また、単一のアクチュエータ駆動制御系で相
互接続可能な駆動制御部すなわちアクチュエータ軸数の
制限を越えて、多軸構成の機械装置を構成することがで
きる。かかる多軸構成の機械装置の一例は、関節自由度
の高い２足歩行型のロボットである。

【００３２】また、前記中央コントローラ及び駆動制御
部の各々に対して共通のクロック信号を供給するクロッ
ク供給手段をさらに含んでもよい。このような場合、前
記中央コントローラは、該クロック信号によって規定さ
れる制御周期毎にデータ・フレームを発信開始するとと
もに、前記駆動制御部の各々は制御周期に同期して受信
したデータ・フレームの処理を実行することができる。

【００３３】また、本発明の第２の側面は、アクチュエ
ータの駆動を制御するための駆動制御装置であって、デ
ータ・フレームを入力するデータ入力手段と、データ・
フレームを出力するデータ出力手段と、クロック信号を
入力するクロック入力手段と、データ・フレームに含ま
れる指示データに従ってアクチュエータの駆動を制御す
るとともに、データ・フレームに含まれる制御変数に従
ってアクチュエータの特性を変更する処理部とを具備
し、前記処理部は入力したクロックによって規定される
制御周期に同期して受信したデータ・フレームの処理を
実行する、ことを特徴とするアクチュエータのための駆
動制御装置である。

【００３４】本発明の第２の側面に係る駆動制御装置に
おいて、前記処理部はアクチュエータの現在位置データ
をデータ・フレームに付加するようにしてもよい。

【００３５】また、前記データ入力手段及びデータ出力
手段は、同期シリアル通信又は調歩同期シリアル通信に
よりデータ・フレームの交換を行うようにしてもよい。

【００３６】また、前記データ入力手段は他の駆動制御
装置のデータ出力手段に接続可能であるとともに、前記
データ出力手段は他の駆動制御装置のデータ入力手段に
接続可能であってもよい。

【００３７】

【作用】本発明に係るアクチュエータ駆動制御方式は、
２足歩行ロボットのような多軸駆動系の機械装置を中央
コントローラと複数の駆動系で構成する場合において、
特に好適に適用することができる。

【００３８】各駆動系は１セットのデータ入力部と１セ
ットのデータ出力部とを有する。さらに、隣接する駆動
系の間は、一方のデータ出力部と他方のデータ入力部と
が連結することで、駆動系全体では１本のデイジーチェ
ーン接続構成となる。各データ入出力は、シリアル・イ
ンターフェースを用いて構成される。

【００３９】駆動系におけるデイジーチェーンの先端
は、中央コントローラのデータ出力部に連結され、ま
た、デイジーチェーンの後端は、中央コントローラにル
ープ・バックされている。

【００４０】このようなデイジーチェーン構成において
は、各駆動系に対する指示データは所謂バケツ・リレー
方式で転送される。同期制御を実現するためには、各駆
動系は、指示データを受信後は一旦待機して、中央コン
トローラからの同期用制御クロック信号を入力すること
で各々の制御同期を同一にし、指示データの処理を同期
的に実行することができる。この結果、各駆動系は同期
協調的に動作することができる。

【００４１】本発明によれば、駆動系の個数によらず、
データ通信のための配線は一定である。例えば、人間型
ロボットのように膨大な自由度構成の機械装置を開発す
る場合であっても、設計者は配線の混雑という問題から
は解放される。また、配線数が変わらないことから、設
計変更によって駆動系の個数を自由に増やすことができ
る。

【００４２】また、本発明に係る同期シリアル転送方式
によれば、関節アクチュエータに作用する外力が急激に
変化することに応じて、制御指示値とともにサーボ・パ
ラメータ（アクチュエータの制御ゲインなど）をリアル
タイムで供給して、アクチュエータの特性を適切に変化
させることができる。

【００４３】外部環境からの負荷変動が不明確な場合
は、低速な動作指令とその応答時間が低速になるような
サーボ・パラメータを与えて、制御指示値よりも外部環
境下の負荷の大きさに依存したアクチュエータの駆動制
御を実現することができる。

【００４４】例えば、人間型ロボットのような２足直立
歩行型ロボットは、図２〜図５に示すように、片足が接
地するとともに、他方の足が空間を移動するという動作
を繰り返すことで、歩行を実現することができる。この
ような脚式作業の期間中、左右それぞれの足は、ロボッ
ト自身の慣性モーメントと自重の力が加わる状態（立
脚）と、慣性モーメントと自重が加わらない状態（遊
脚）とが交互に入れ替わる。図２及び図３では空間上の
遊脚であった左足が、図４及び図５に示すように地面に
接地しようとするとき、この左足の足首アクチュエータ
は、足部の慣性モーメントのみが作用する状態から、ロ
ボット全体の慣性モーメントと荷重が作用する状態へと
急激に変化する。

【００４５】図４及び図５に示す左足のように、遊脚で
あった片方の足が地面に接地するときには、その足首関
節アクチュエータに対して、フィードバック・ゲインを
高い値に設定するようなサーボ・パラメータをリアルタ
イムでシリアル転送して、ロボットの姿勢安定性の維持
を図る。

【００４６】また、図２及び図３に示す右足のように、
立脚であった他方の足が離床しようとするとき、及び、
完全に接地している期間中には、その足首関節アクチュ
エータに対してのフィードバック・ゲインを低い値に設
定するようなサーボ・パラメータをリアルタイムでシリ
アル転送する。この結果、右足に対して外部環境からの
負荷が印加されても、その関節アクチュエータは負荷に
応じて変位することができるので、ロボット装置全体に
働く急激な反作用が軽減されるので、姿勢を維持して安
定歩行を継続することかできる。

【００４７】この結果、ロボットは、２足が交互に遊脚
及び立脚の状態を繰り返す場合において、接地その他の
衝撃を軽減して、姿勢の安定性を確保し、歩行動作を継
続することができる。

【００４８】本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、
後述する本発明の実施例や添付する図面に基づくより詳
細な説明によって明らかになるであろう。

【００４９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施例を詳解する。

【００５０】図６には、本実施例に適用される同期シリ
アル転送方式の接続構成を模式的に示している。図示の
接続構成では、制御指示値やサーボ・パラメータの発行
元である通信コントローラ１０と、この通信コントロー
ラ１０に対してデイジーチェーン形式に接続された複数
の駆動系２０−１，２０−２…で構成される。同図に示
す例では、駆動系の個数は４個であるがその数は特に限
定されない。以下、各部について説明する。

【００５１】各駆動系２０−１…は、駆動制御部２１−
１…と、アクチュエータ２２−１…と、エンコーダ２３
−１…とのセットで構成される。駆動制御部２１−１…
は、中央コントローラ１０から発行された指示データを
処理して、アクチュエータ２２−１…に対して駆動信号
を供給する。また、エンコーダ２３−１…は、アクチュ
エータ２２−１…の駆動量を検出して駆動制御部２１−
１…にフィードバックし、駆動制御部２１−１…はこの
検出信号を基にしてアクチュエータ２２−１…に対する
適応的な制御を実現することができる。

【００５２】各駆動制御部２１−１，２１−２…は、指
示データ入力用のシリアル・ポートと、指示データ出力
用のシリアル・ポートを各1つずつ有している。図示のよ
うに、隣接する駆動制御部どうしは、一方の出力用シリ
アル・ポートが他方の入力用シリアル・ポートにシリアル
・ケーブルによって接続されており、駆動系全体として
は１本のデイジーチェーン接続構成となる。シリアル・
ポートを介したデータ転送方式（通信プロトコル）の詳
細については後述に譲る。

【００５３】シリアル・ケーブルによって連結されたデ
イジーチェーンにおける先頭のシリアル・ポート、すな
わち駆動制御部２１−１の入力用シリアル・ポートは、
通信コントローラ１０の指示データ出力用のシリアル・
ポートに接続されている。また、該デイジーチェーンに
おける最後尾のシリアル・ポート、すなわち駆動制御部
２１−４の出力用シリアル・ポートは、通信コントロー
ラ１０の入力用シリアル・ポートに接続されている。こ
のようなデイジーチェーン接続構成においては、各駆動
系２０−１，２０−２…に対する指示データを所謂バケ
ツ・リレー方式で転送することができる。

【００５４】通信コントローラ１０は、１ＭＨｚの同期
通信用クロック信号と２０ｋＨｚのモータ制御演算用周
期信号とを生成する。これらの同期クロック信号は、各
駆動制御部２１−１…に対して、共通の同期制御のクロ
ック信号として供給されている。

【００５５】各駆動制御部２１−１…は、モータ制御演
算用の周期信号をさらに分周して、１ｋＨｚのソフトウ
ェア・サーボ周期を生成する。したがって、駆動制御部
２１−１…に接続されている各アクチュエータ２２−１
…は全て、同期的に制御される。この代替として、通信
コントローラ１０は、１ＭＨｚの同期通信用クロックの
みを各駆動制御部２１−１…に供給して、各駆動制御部
２１−１…において２０ＫＨｚのモータ制御演算用周期
信号と１ｋＨｚのソフトウェア・サーボ信号の双方を生
成することも可能である。

【００５６】このように、１ｋＨｚというソフトウェア
・サーボ周期により、１ｍｓｅｃ以内に指示データの転
送が完了するので、全てのアクチュエータ２２−１，２
２−２…を同期協調的に制御することができる。

【００５７】同期制御を実現するためには、各駆動系２
０−１…は、通信コントローラ１０からの同期用制御ク
ロック信号を入力することで各々の制御同期を同一にす
ることができる。すなわち、各駆動系の駆動制御部２１
−１…は、指示データを受信した後は一旦待機して、ク
ロック信号で規定される制御周期を用いて指示データの
処理を同期的に実行することができる。この結果、各駆
動系全体は協調的に動作することができる。

【００５８】次いで、駆動制御部２１が行う処理につい
て説明する。各駆動制御部２１は、１ｍｓｅｃ毎に発生
するサーボ割り込み信号毎に、制御演算及びシリアル転
送制御を行う。

【００５９】（１）制御演算駆動制御部２１は、制御方式として位置制御動作、速度
制御動作、トルク制御動作を行うことができる。

【００６０】位置制御動作を行う場合、駆動制御部２１
は、エンコーダ２３から送られてくる位置データＰ
_mと、シリアル・ポート経由で送られてくる回転位置の指
示データＰ_refとを読み込んで、これらのデータ値か
ら、下式に示す演算を行い、アクチュエータ２２の回転
トルクＴ_refを算出する。

【００６１】

【数１】Ｖ_ref＝（Ｐ_ref−Ｐ_m）×Ｇ１Ｖ_m＝Ｐ_m・ｓ（注：ｓはラプラス演算子）Ｔ_ref＝｛（Ｖ_ref−Ｖ_m）×（１＋Ｇ２／ｓ）｝×Ｇ３

【００６２】但し、Ｇ１、Ｇ２、及びＧ３は、ホストす
なわち通信コントローラ１０からシリアル通信によって
設定される制御ゲイン・パラメータである。駆動制御部
２１は、Ｇ１、Ｇ２、及びＧ３を変化させることによっ
て、指示データＰ_refに対するアクチュエータ２２の応
答を切り替えることができる。

【００６３】また、速度制御動作を行う場合、駆動制御
部２１は、エンコーダ２３から送られてくる位置データ
Ｐ_mと、シリアル・ポート経由で送られてくる回転位置の
指示データＰ_refとを読み込んで、これらのデータ値か
ら、下式に示す演算を行い、アクチュエータ２２の回転
トルクＴ_refを算出する。

【００６４】

【数２】Ｖ_m＝Ｐ_m・ｓ（注：ｓはラプラス演算子）Ｔ_ref＝｛（Ｖ_ref−Ｖ_m）×（１＋Ｇ２／ｓ）｝×Ｇ３

【００６５】また、トルク制御動作を行う場合には、駆
動制御部２１は、ホストすなわち通信コントローラ１０
からシリアル通信によって送られてくる回転トルクの指
示データＴ_refを読み込んで、このデータを基に、アク
チュエータ回転トルクＴ_refを生成するような電流をア
クチュエータ２２に供給せしめる。

【００６６】（２）シリアル通信制御既に上述したように、駆動制御部２１は、アクチュエー
タ２２のパラメータ変更、内部信号のモニタなどの信号
をホストすなわち通信コントローラ１０との間で通信す
る方法として、シリアル通信を用いる。但し、本実施例
では、シリアル通信方式として、同期シリアル通信、又
は、調歩同期シリアル通信のいずれを採用することも可
能である。いずれの方式を採用しても、通信コントロー
ラ１０に端を発した制御命令を、各駆動制御部２１−１
…はデイジーチェーンのダウンストリームに向かって受
信して、命令の実行を行うことに変わりはない。

【００６７】同期シリアル通信方式を採用した場合、複
数の駆動制御部２１−１，２１−２…どうしを直列的に
接続することによって、少ない配線でロボットの制御系
を構成することができる。また、同期シリアル通信方式
によれば、高速且つ同期した制御信号をシリアル信号経
由で送信することができるので、複数のアクチュエータ
２２−１，２２−２…の同期駆動制御を実現することが
できる。

【００６８】ホストとしての通信コントローラ１０は、
アクチュエータ２２−１…の制御周期ＴSVとしての１ｍ
ｓｅｃ毎に指定した1つのアクチュエータ２２の駆動制
御部２１に対する指示データを発行して、シリアル・ポ
ートから送出する。この指示データは、図１に示すよう
なデイジーチェーン接続された順番に従って、各駆動制
御部２１−１…によって順次受信される。

【００６９】指示データが各駆動制御部２１−１…を順
次シリアル転送される間、指定されたアクチュエータ２
２に関する駆動制御部２１以外は、単に指示データをデ
イジー・チェーンの下方に転送するだけで自らはデータ
を取り込まない。これに対して、指定されたアクチュエ
ータ２２の駆動制御部２１は、指示データを受信する
と、これを取り込んでから下方に転送する。そして、指
示データ受信に応答して、これを処理してアクチュエー
タ制御用のデータに変換する。

【００７０】このようにして、通信コントローラ１０が
発行した指示データは、デイジー・チェーンの上位から
下位へと一巡した後、再び通信コントローラ１０に戻さ
れる。したがって、Ｎ個の駆動系２０−１，２０−２，
…，２０−Ｎが連結されている場合には、Ｎ×Ｔ_SV［ｍ
ｓｅｃ］の制御周期を以って駆動系全体を同期的に制御
し、図１に示す制御系の協調動作を実現することができ
る。

【００７１】図７には、通信コントローラ１０及び４個
の駆動制御部２１−１，２１−２…の間で行われるデー
タ転送方式を図解しておくので参照されたい。但し、通
信コントローラ１０における制御周期を１ｍｓｅｃと
し、また、各アクチュエータの制御周期Ｔ_SVを１ｍｓｅ
ｃとした。

【００７２】図７に示すように、１ｍｓｅｃの制御周期
が開始することに応答して、通信コントローラ１０は次
の指示データをシリアル・ポート上に送出する一方、各
駆動制御部２１−１，２１−２…は受信した指示データ
を処理してアクチュエータ２２−１，２２−２…の駆動
を制御する。言い換えれば、制御周期の開始に同期して
一斉に各アクチュエータ２２−１，２２−２…を協調動
作せしめることができる。

【００７３】また、１ｍｓｅｃの制御周期の先頭でアク
チュエータの協調駆動制御が終了した後は、次の指示デ
ータのバケツリレーが同一の制御周期が満了するまでの
間に行われる。

【００７４】本実施例に係る駆動制御方式では、指示デ
ータをシリアル転送するので、各駆動制御部が指示デー
タを受信する時刻は区々となる。しかしながら、図７に
示すように、各駆動制御部２２は制御周期に同期して一
斉に指示データの処理を実行することにより、各アクチ
ュエータの同時的且つ協調的な動作を実現することが可
能となる、という点を充分理解されたい。

【００７５】図８には、デイジーチェーン上をシリアル
転送される指示データのデータ・フォーマット例を図解
しているので参照されたい。同図に示す例では、１つの
データ・フレームは、先頭の同期キャラクタ・データ
と、１バイト（８ビット）から数バイト長の転送データ
本体と、最後尾の同期キャラクタとで構成される。同図
において、フレームの先頭の同期キャラクタ１は必須で
あり、最後尾の同期キャラクタ２は任意である。

【００７６】データ・フレームの発行元である通信コン
トローラは、Ｎバイト長のフレームに、指示データとし
てＫバイト、サーボ・パラメータとして（Ｎ−Ｋ）バイ
トのデータを書き込んで、フレームをデイジーチェーン
上に送出する。

【００７７】図６に示すように同期シリアル転送方式に
よれば、通信コントローラ１０と各駆動系２０−１…と
を連結するデータ・ストリームを、シリアル・データ送信
信号、シリアル・データ受信信号、及び同期クロック信
号という３種類の信号線だけで構成することができる。
したがって、多軸ロボットのような複雑な構造を有する
機構部における配線設計を簡素化することができる。

【００７８】また、通信伝達とアクチュエータ駆動制御
の周期が同期しているので、シリアル信号によるアクチ
ュエータへの指示が高速化する。したがって、多軸ロボ
ットのようなシステムにおいて運動制御する場合、複数
のアクチュエータ出力軸の合成からなる位置、速度、及
び加速度を同期的に制御することが可能であり、全身協
調型の動作を実現することができる。

【００７９】また、図６に示すような同期シリアル転送
方式によれば、外部環境からの負荷変動が急激に変化す
ることに応じて、制御指示値とともにサーボ・パラメー
タ（アクチュエータの制御ゲインなど）をリアルタイム
で供給して、アクチュエータの特性を適切に変化させる
ことができる。外部環境の負荷変動に対する制御につい
て以下に説明する。

【００８０】通信コントローラ１０から開始されるシリ
アル通信により、指定した駆動部２０のアクチュエータ
２２に対する回転角度指示又は回転速度指示などの指示
データと、指定した駆動部２０の駆動制御部２１に対す
るサーボ・パラメータとを、同一データ・フレームに含
めて、一定の制御周期で送信することができる。

【００８１】一方、指定された駆動部２０側では、通信
コントローラ１０から送信されたデータ・フレーム中か
ら、アクチュエータ２２に対する回転角度指示値又は回
転速度指示値、及び、駆動制御部２１に対するサーボ・
パラメータのデータを取り出すと、これらのデータを駆
動制御部２１内のローカル・メモリ（図示しない）に一
時記憶する。そして、受信したデータ・フレームを、デ
イジーチェーンのダウンストリームに向かって送信す
る。

【００８２】データ・フレームを送信完了後、駆動制御
部２１は、一定周期の割り込みに応答して駆動制御演算
を開始するときに（前述）、ローカル・メモリに格納し
ておいた指示データとサーボ・パラメータを取り出し
て、同割り込み期間内で制御演算を実行する。このよう
な手順により、指示データに基づくアクチュエータ２２
の駆動と同時にアクチュエータ２２に対する制御特性が
変更されるので、駆動制御系を協調動作することができ
る。

【００８３】例えば、外部環境からの負荷が明確な場合
は、高速な動作指示とその応答速度が高速になるような
サーボ・パラメータを駆動制御部２１に与えることで、
指示データに従った応答性のよいアクチュエータ２２の
駆動制御を行う。他方、外部環境からの負荷が不明確な
場合は、低速な動作指示とその応答速度が低速になるよ
うなサーボ・パラメータを駆動制御部２１に与えること
で、指示データよりも外部環境から受ける負荷の大きさ
に依存したアクチュエータ２２の駆動制御を行う。

【００８４】例えば、図２〜図５に示すように２足直立
歩行型ロボットが歩行動作を行うような場合を考察して
みる。図２及び図３に示す右足のように、床面に接地し
てロボットの姿勢を保持する立脚側の足首の関節アクチ
ュエータには、ロボット全体の慣性モーメントが作用す
る。このような関節アクチュエータを制御する場合に
は、［数１］中のフィードバック・ゲインＧ１及びＧ３
を高い値に設定して、指令値Ｐ_refを与えることによっ
て、ロボットの姿勢安定性を維持することができる。

【００８５】また、図４及び図５に示す左足のように、
遊脚であった片方の足が地面に接地するときには、その
足首の関節アクチュエータに印加される負荷は脚部の完
成モーメントだけとなり比較的軽量である。このような
関節アクチュエータを制御する場合には、［数１］中の
フィードバック・ゲインＧ１及びＧ３を低い値に設定し
て、指令値Ｐ_refを与えることによって、ロボットの姿
勢安定性を維持することができる。このように低いゲイ
ンＧ１及びＧ３を設定した場合、外部環境からの負荷
（例えば足が着床したときに加わる反作用）を受けて
も、［数１］からも分かるようにアクチュエータ２２の
トルクＴ_refは小さいので、負荷の大きさに応じてアク
チュエータ２２が変位する。したがって、ロボットに対
して印加される急激な反作用が吸収若しくは軽減される
ことになる。すなわち、床面に接地したときに作用する
力が軽減され、ロボットを安定制御により姿勢に保つこ
とができる。

【００８６】２足直立型を始め、各種の脚式移動ロボッ
トは、基本的には、ロボット自身の慣性モーメントと自
重の力が加わる状態（立脚）と、慣性モーメントと自重
が加わらない状態（遊脚）とが交互に入れ替わること
で、脚式移動を実現する。かかる脚式移動の期間中、送
信データ・フレーム中にサーボ・パラメータを含ませ、
アクチュエータのフィードバック・ゲインを動的且つ適
応的に変更することで、姿勢安定性を持続させることが
できる。

【００８７】図９には、アクチュエータ２２の制御メカ
ニズムを模式的に図解している。このような制御メカニ
ズムは、対応する駆動制御部２１において実現される
が、ハードウェア・サーボ又はソフトウェア・サーボい
ずれの形態で実装してもよい。

【００８８】また、このような制御メカニズムに対し
て、姿勢安定制御のために変更可能なサーボ・パラメー
タの例を以下に列挙しておく。

【００８９】（１）モータのフィードバック制御系にお
ける位置ゲインＫ_pp、積分ゲインＫ_vp、並びに、微分ゲ
インＫ_vi：アクチュエータの応答速度を可変にするパラ
メータである。（２）デジタル・フィルタのカットオフ周波数パラメー
タＦ_c：アクチュエータの負荷の機構系狂信周波数を低
減するフィルタ周波数を可変にするパラメータである。（３）モータ温度センサの感度パラメータ：モータ温度
検出素子からの温度検出データに基づき、モータが許容
温度以下になるようにモータ電流を制限する閾値パラメ
ータである。（４）モータ・コイル電流の時定数補正パラメータ：モ
ータが高速で回転すると、コイルのインピーダンスによ
りコイル電流に遅れが生じて効率が低下する。この遅れ
をソフトウェアにより進相補正して効率を改善するため
のパラメータである。（５）モータ・コイルの電圧補正パラメータ：コイルの
印加電圧によりコイル電流に変化が生じる。印加電圧を
検出して、印加電圧に応じて電流指令を調整するパラメ
ータである。（６）アナログ位置センサ、オフセット調整パラメー
タ：モータのロータ回転角度はアナログ電圧信号から検
出される。このときのアナログ信号のオフセットを調整
するパラメータである。（７）モータ最大速度制限パラメータ：速度制御でモー
タの最大回転速度を制限するパラメータである。位置制
御の場合でも、このパラメータによりモータの最大回転
数を規制することができる。（８）モータ最大トルク制限パラメータ：トルク制御に
よってモータの最大回転速度を制限するパラメータであ
る。位置制御や速度制御の場合でも、このパラメータに
よりモータの最大トルクを規制することができる。

【００９０】図１０には、本実施例に係るシリアル転送
方式（図６を参照のこと）を採用した多軸ロボット（例
えば２足直立歩行型ロボット）１００全体の制御システ
ムの一例を模式的に図解している。

【００９１】図１０に示す例では、ホスト（上位）・コ
ントローラとしてのルートＵＳＢ５０は、最大４個のＵ
ＳＢデバイスを接続可能なＵＳＢハブ６１が接続されて
いる。ＵＳＢハブ６１は、３基のＵＳＢポートに３台の
ＵＳＢ−同期シリアル変換器７１，７２，７３を接続す
るとともに、残り１基のＵＳＢポートに他のＵＳＢハブ
６２がカスケード接続されている。ＵＳＢハブ６２に
は、２基のＵＳＢポートを用いて２台のＵＳＢ−同期シ
リアル変換器７４及び７５を接続している。

【００９２】ＵＳＢ−同期シリアル変換器７１…は、電
気・電子技術の業界において汎用的なＵＳＢインターフ
ェースを、本実施例に係る同期シリアル・インターフェ
ースに変換するためのインターフェース・プロトコルで
ある。ＵＳＢ−同期シリアル変換器７１…の各出力側に
は、各関節軸アクチュエータを駆動する各４台の駆動系
８１−１，８１−２，８１−３，８１−４…がデイジー
チェーン形式でそれぞれ接続されている。したがって、
図１０に示す多軸ロボット制御システムは、合計２０台
の駆動系を含んだ２０軸構成システムである。

【００９３】図１０に示す各ＵＳＢ−同期シリアル変換
器７１…の出力側で構成されるデータ・ストリームは、
図６に示した同期シリアル転送方式に従うものである。
すなわち、各々のＵＳＢ−同期シリアル変換器７１…は
指示データを駆動側に送出する通信コントローラ１０に
相当する。また、各駆動系８１−１…は、駆動系２０−
１…に相当し、駆動制御部と、アクチュエータと、エン
コーダとを含む概念である。

【００９４】図１１には、ある１つのＵＳＢ−同期シリ
アル変換器７１の出力側で構成されるデータ・ストリー
ムのみを抜き出して図解している。但し、他のＵＳＢ―
同期シリアル変換器７２，７３…の出力側データ・スト
リームにおいても、略同一の構成を備えているものと理
解されたい。

【００９５】図１１に示すように、ＵＳＢ−同期シリア
ル変換器７１は、ＵＳＢハブ６１経由で上位コントロー
ラとしてのルートＵＳＢ５０とデータ通信を行うＵＳＢ
インターフェース回路７１Ａと、ＵＳＢインターフェー
スと本実施例に係る同期シリアルとのインターフェース
・プロトコルを実現するマイクロ・コンピュータ７１Ｂ
と、本実施例に係る同期シリアル入出力（ＳＩＯ）イン
ターフェース回路７１Ｃとで構成される。

【００９６】ＳＩＯインターフェース回路７１Ｃの出力
側ポートには、先頭の駆動系８１−１が接続されてい
る。また、隣接する駆動系どうしは、一方の出力用シリ
アル・ポートが他方の入力用シリアル・ポートにシリアル
・ケーブルによって接続されて、駆動系全体としては１
本のデイジーチェーン接続構成となっている。

【００９７】図１１に示すようなデイジーチェーン接続
構造におけるデータ転送方式は、図７を参照しながら説
明した通りである。すなわち、通信コントローラとして
のＳＩＯインターフェース回路７１Ｃからの送信データ
（ＴｘＤ）は、デイジーチェーンのダウンストリームに
向かって一方向に送出される。また、デイジーチェーン
の最後尾に配置された駆動系８１−４の出力ポートは、
通信コントローラとしてのＳＩＯインターフェース回路
７１Ｃの入力ポートに戻されており、駆動系８１側から
の返信データ（ＲｘＤ）をデータ・フレームの発行元に
返すことができる。

【００９８】前述したように、図６に示す同期シリアル
転送方式では、各軸すなわち各駆動制御部２１間のデー
タ転送は１ｍｓｅｃ以内に完結することができる。すな
わち、図１１に示すような同期シリアル転送方式のデイ
ジーチェーン接続構成では、４ｍｓｅｃ以内で４台すべ
ての駆動系８１−１…に対して送信データの送信を終了
し、４ｍｓｅｃ以内で４軸のアクチュエータ駆動制御を
完了することができる。また、ＵＳＢバス上のデータ転
送は１ｍｓｅｃで完結する。

【００９９】したがって、図１０及び図１１に示したよ
うな多軸ロボット用制御システム構成によれば、２０軸
構成であっても５ｍｓｅｃで全体の通信を完了させるこ
とができる。言い換えれば、汎用のＵＳＢインターフェ
ースをそのまま利用した構成で、高速な多軸ロボット制
御システムを構築することができる訳である。

【０１００】本実施例に係る同期シリアル転送方式で
は、先頭の同期キャラクタ・データと、１バイト（８ビ
ット）から数バイト長の転送データ本体と、最後尾の同
期キャラクタとで構成されるデータ・フレームがデイジ
ーチェーン上をシリアル転送される。このことは図８を
参照しながら既に説明した通りである。より具体的に
は、転送データ本体は、それぞれ１バイト長の各駆動系
に対する指令データで構成される。指令データには、ア
クチュエータに対する指示値とサーボ・パラメータが含
まれる。また、各駆動系は、次の駆動系又は通信コント
ローラにデータ・フレームを転送する際に、アクチュエ
ータの現在位置情報を逐次添付することができる。各現
在位置情報は、指令データ同様に、１バイト長で構成さ
れる。

【０１０１】図１２には、図１１に示すような同期シリ
アル転送方式のデイジーチェーン上で１フレームのデー
タを送信する様子を模式的に図解している。図１２に示
す例では、１フレームのデータ転送で、デイジーチェー
ン上に列設された全軸の指令データを同時送信するよう
になっている。

【０１０２】各駆動系８１−１，８１−２…は、フレー
ム・データを送出するとき、アクチュエータの現在位置
データを逐次フレーム・データに書き込むようになって
いる。したがって、デイジーチェーンのダウンストリー
ムに向かうにつれて、送信フレームのデータ長が徐々に
長くなる。

【０１０３】図１２に示すようなデータ転送方式は、各
駆動系８１−１，８１−２…におけるモータ制御演算時
間が、１回のデータ転送時間である１ｍｓｅｃに対して
充分短い場合には有効である。

【０１０４】また、図１３には、図１１に示すような同
期シリアル転送方式のデイジーチェーン上で１フレーム
のデータを送信する様子の他の例を模式的に図解してい
る。図１３は、図１２に示した例とは相違し、１フレー
ムのデータ転送で１つの軸の指令データのみを送信する
ようになっている。

【０１０５】各駆動系８１−１，８１−２…は、フレー
ム・データを送出するとき、アクチュエータの現在デー
タを逐次フレーム・データに書き込む。但し、１回の送
信フレームに対して書き込まれる現在位置データは１つ
だけなので、送信フレーム長は長くならない。

【０１０６】図１３に示すようなデータ転送方式は、各
駆動系８１−１，８１−２…におけるモータ制御演算時
間が、１回のデータ転送時間である１ｍｓｅｃに対して
長い場合には有効である。但し、デイジーチェーン接続
された駆動系の軸数に比例して、全体のデータ転送時間
が長くなる。この例では、１軸毎に１ｍｓｅｃのデータ
転送時間を要し、すべてのアクチュエータを駆動制御す
るには４ｍｓｅｃが必要となる。

【０１０７】図１４には、本実施例に係るシリアル転送
方式（図６を参照のこと）を採用した多軸ロボット（例
えば２足直立歩行型ロボット）１００全体の制御システ
ムの他の例を模式的に図解している。

【０１０８】図１０に示した例は、ＵＳＢ転送方式と本
実施例に係る同期シリアル転送方式が混在していたが、
図１４に示す例では、アクチュエータの制御のためにＵ
ＳＢインターフェースを全く使用しない。

【０１０９】すなわち、図１４に示す例では、図６中の
通信コントローラ１０に相当する５台の同期シリアル入
出力（ＳＩＯ）インターフェース回路１１１〜１１５
は、ホスト（上位）・コントローラのローカル・バスに
相互接続されている。ホスト・コントローラは、アドレ
スを指定することで、各同期シリアル入出力インターフ
ェース回路１１１…に指令を発することができる。

【０１１０】また、各同期シリアル入出力インターフェ
ース回路１１１…の各出力側には、各関節軸アクチュエ
ータを駆動する各４台の駆動系８１−１，８１−２，８
１−３，８１−４…がデイジーチェーン形式でそれぞれ
接続されている。したがって、図１４に示す多軸ロボッ
ト制御システムは、合計２０台の駆動系を含んだ２０軸
構成システムである。

【０１１１】各同期シリアル入出力インターフェース回
路１１１は、図６中の通信コントローラ１０に相当し、
その出力側で構成されるデータ・ストリームは、図６に
示した同期シリアル転送方式に従う。

【０１１２】図１４に示すような多軸ロボット制御構成
によれば、すべての関節軸アクチュエータに対して１ｍ
ｓｅｃ以内で制御を実行することができる。

【０１１３】［追補］以上、特定の実施例を参照しなが
ら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発
明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施例の修正や
代用を成し得ることは自明である。すなわち、例示とい
う形態で本発明を開示してきたのであり、限定的に解釈
されるべきではない。本発明の要旨を判断するために
は、冒頭に記載した特許請求の範囲の欄を参酌すべきで
ある。

【０１１４】

【発明の効果】以上詳記したように、本発明によれば、
複数のアクチュエータを同期協調的に駆動することがで
きる、優れたアクチュエータ駆動制御方式を提供するこ
とができる。

【０１１５】また、本発明によれば、シリアル通信を用
いることで、少ない配線数によって複数のアクチュエー
タを同期協調的に駆動することができる、優れたアクチ
ュエータ駆動制御方式を提供することができる。

【０１１６】また、本発明によれば、短時間のシリアル
通信によって、複数のアクチュエータを同期協調的に駆
動することができる、優れたアクチュエータ駆動制御方
式を提供することができる。

【０１１７】本発明によれば、駆動系の個数によらず、
データ通信のための配線は一定である。例えば、人間型
ロボットのように膨大な自由度構成の機械装置を設計・
開発する場合であっても、設計者は配線の問題からは解
放される。また、設計変更によって配線数は変わらない
ので、駆動系の個数を自由に増やすことができる。

【０１１８】また、本発明に係る同期シリアル転送方式
によれば、関節アクチュエータに作用する外力が急激に
変化することに応じて、制御指示値とともにサーボ・パ
ラメータ（アクチュエータの制御ゲインなど）をリアル
タイムで供給して、アクチュエータの特性を適切に変化
させることができる。

【０１１９】例えば、外部環境からの負荷変動が不明確
な場合は、低速な動作指令とその応答時間が低速になる
ようなサーボ・パラメータを与えて、制御指示値よりも
外部環境下の負荷の大きさに依存したアクチュエータの
駆動制御を実現することができる。

【０１２０】例えば、人間型ロボットのような２足直立
歩行型ロボットが歩行動作を行う場合、遊脚であった片
方の足が地面に接地するときには、その足首関節アクチ
ュエータに対して、フィードバック・ゲインを高い値に
設定するようなサーボ・パラメータをリアルタイムでシ
リアル転送して、ロボットの姿勢安定性の維持を図るこ
とができる。また、立脚であった他方の足が離床しよう
とするとき、及び、完全に接地している期間中には、そ
の足首関節アクチュエータに対してのフィードバック・
ゲインを低い値に設定するようなサーボ・パラメータを
リアルタイムでシリアル転送する。この結果、立脚側の
足に対して外部環境からの負荷が印加されても、その関
節アクチュエータは負荷に応じて変位することができる
ので、ロボット装置全体に働く急激な反作用が軽減され
るので、姿勢を維持して安定歩行を継続することかでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】ＵＳＢインターフェースを用いて構成された多
軸制御ロボットの制御システム（従来例）を模式的に示
した図である。

【図２】２足直立歩行型ロボットが歩行動作を行う様子
を示した図であり、より具体的には、右足が立脚となり
左足が遊脚となった動作期間における側面図である。

【図３】２足直立歩行型ロボットが歩行動作を行う様子
を示した図であり、より具体的には、右足が立脚となり
左足が遊脚となった動作期間における正面図である。

【図４】２足直立歩行型ロボットが歩行動作を行う様子
を示した図であり、より具体的には、左足が立脚となる
瞬間における側面図である。

【図５】２足直立歩行型ロボットが歩行動作を行う様子
を示した図であり、より具体的には、左足が立脚となる
瞬間における正面図である。

【図６】本実施例に適用される同期シリアル転送方式の
接続構成を模式的に示した図である。

【図７】通信コントローラ１０及び各駆動制御部２１−
１，２１−２…の間で行われるデータ転送方式を図解し
たチャートである。

【図８】デイジーチェーン上をシリアル転送される指示
データのデータ・フォーマット例を示した図である。

【図９】アクチュエータ２２の制御メカニズムを模式的
に示した図である。

【図１０】図６に示すシリアル転送方式を採用した多軸
ロボット１００の制御システム構成の一例を模式的に示
した図である。

【図１１】図１０のうち、ＵＳＢ−同期シリアル変換器
７１の出力側で構成されるデータ・ストリームのみを抜
き出して示した図である。

【図１２】図１１に示す同期シリアル転送方式のデイジ
ーチェーン上で１フレームのデータを送信する様子を模
式的に示した図であり、より具体的には、１フレームの
データ転送で全軸の指令データを同時送信する場合のデ
ータ送信の様子を示した図である。

【図１３】図１１に示す同期シリアル転送方式のデイジ
ーチェーン上で１フレームのデータを送信する様子の他
の例を模式的に示した図であり、より具体的には、１フ
レームのデータ転送で１つの軸の指令データのみを送信
する場合のデータ送信の様子を示した図である。

【図１４】図６に示すシリアル転送方式を採用した多軸
ロボット１００の制御システム構成の他の例を模式的に
示した図である。

【符号の説明】

１０…通信コントローラ２０…駆動系２１…駆動制御部２２…アクチュエータ２３…エンコーダ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】複数のアクチュエータからなる多軸機械装
置の駆動を制御するためのアクチュエータ駆動制御方式
であって、各アクチュエータに対する指示データを発行する中央コ
ントローラと、指示データに従ってアクチュエータの駆動を制御する、
各アクチュエータ毎に設けられた複数の駆動制御部と、一方の駆動制御部のデータ出力手段を他方の駆動制御部
のデータ入力手段に順次接続する相互接続手段とを備
え、前記中央コントローラは、前記相互接続手段により先頭
位置に接続された駆動制御部のデータ入力手段に、１以
上の駆動制御部に対する指示データ及び／又は制御変数
を含むデータ・フレームを送出することを特徴とするア
クチュエータ駆動制御方式。
【請求項２】前記制御変数は、アクチュエータのフィー
ドバック制御系における位置ゲイン、積分ゲイン、微分
ゲイン、又はデジタル・フィルタのカットオフ周波数パ
ラメータ、又はアクチュエータ温度センサの感度パラメ
ータ、又はアクチュエータ・コイル電流の時定数補正パ
ラメータ、又はアクチュエータ・コイルの電圧補正パラ
メータ、又はアナログ位置センサ、オフセット調整パラ
メータ、又はアクチュエータ最大速度制限パラメータ、
又はアクチュエータ最大トルク制限パラメータのうち少
なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の
アクチュエータ駆動制御方式。
【請求項３】各駆動制御部はアクチュエータの受信デー
タ・フレームに現在位置データを付けて送出することが
でき、前記中央コントローラは、前記相互接続手段により最後
尾に接続された駆動制御部のデータ出力手段から送出さ
れるデータ・フレームを受信する受信部を含むことを特
徴とする請求項１に記載のアクチュエータ駆動制御方
式。
【請求項４】前記相互接続手段は同期シリアル通信又は
調歩同期シリアル通信によりデータ・フレームの転送を
行う特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ駆動制
御方式。
【請求項５】前記中央コントローラは、第１のバス・イ
ンターフェースと、前記相互接続手段に接続するための
第２のバス・インターフェースと、第１及び第２のバス
・インターフェース間のプロトコル変換を実現する制御
部とを備えることを特徴とする請求項１に記載のアクチ
ュエータ駆動制御方式。
【請求項６】前記相互接続手段は同期シリアル通信方式
による接続を行い、前記中央コントローラは、ＵＳＢ（Universal Serial B
us）バス・インターフェースと、同期シリアル通信イン
ターフェースと、ＵＳＢインターフェース及び同期シリ
アル通信インターフェース間のプロトコル変換を実現す
る制御部とを備えることを特徴とする請求項１に記載の
アクチュエータ駆動制御方式。
【請求項７】さらに前記中央コントローラ及び駆動制御
部の各々に対して共通のクロック信号を供給するクロッ
ク供給手段を含み、前記中央コントローラは該クロック信号によって規定さ
れる制御周期毎にデータ・フレームを発信開始するとと
もに、前記駆動制御部の各々は制御周期に同期して受信
したデータ・フレームの処理を実行することを特徴とす
る請求項１に記載のアクチュエータ駆動制御方式。
【請求項８】アクチュエータの駆動を制御するための駆
動制御装置であって、データ・フレームを入力するデータ入力手段と、データ・フレームを出力するデータ出力手段と、クロック信号を入力するクロック入力手段と、データ・フレームに含まれる指示データに従ってアクチ
ュエータの駆動を制御するとともに、データ・フレーム
に含まれる制御変数に従ってアクチュエータの特性を変
更する処理部とを具備し、前記処理部は入力したクロックによって規定される制御
周期に同期して受信したデータ・フレームの処理を実行
する、ことを特徴とするアクチュエータのための駆動制
御装置。
【請求項９】前記処理部はアクチュエータの現在位置デ
ータをデータ・フレームに付加することができることを
特徴とする請求項８に記載のアクチュエータのための駆
動制御装置。
【請求項１０】前記データ入力手段及びデータ出力手段
は、同期シリアル通信又は調歩同期シリアル通信により
データ・フレームの交換を行うことを特徴とする請求項
８に記載のアクチュエータのための駆動制御装置。
【請求項１１】前記データ入力手段は他の駆動制御装置
のデータ出力手段に接続可能であるとともに、前記デー
タ出力手段は他の駆動制御装置のデータ入力手段に接続
可能であることを特徴とする請求項８に記載のアクチュ
エータのための駆動制御装置。