JP2003252600A - パワーアシスト装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 操作感を向上し得るパワーアシスト装置を提
供する。 【解決手段】 パワーアシスト装置２０では、制御装置
６０により求められるアシスト力Ｆは、運動方程式；Ｆ
＝ ｍ_V ×ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められ、
粘性係数ｃは、ワークＷの移動速度ｖに基づいて定めら
れている。これにより、ワークＷの移動速度ｖの増加ま
たは減少に伴って粘性係数ｃを減少または増加、ひいて
は「人間の剛性」およびその変化に対応させたインピー
ダンス制御を行うことができる。そのため、制御装置６
０により、操作者Ｍの腕のインピーダンス変化に倣って
アシスト力Ｆを求めることができるので、操作者Ｍの腕
の剛性変化に合わせたアシスト力Ｆの制御により操作者
Ｍを補助することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、移動または姿勢変
更の対象となる物体を操作する者の操作力に基づいてア
シスト力を発生させ、当該操作者を補助するパワーアシ
スト装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】移動または姿勢変更の対象となる物体を
操作する者（以下「操作者」という）の操作力に基づい
てアシスト力を発生させ、当該操作者を補助するパワー
アシスト装置として、例えば、操作者による物体の操作
力をフォースセンサ等により検出し、この検出した操作
力に定数を乗じてアシスト力を求め、これに相当するア
シストトルクを発生するようにモータを駆動制御するも
のがある。

【０００３】しかし、このような制御方法によるパワー
アシスト装置では、モータに発生させるアシスト力は、
操作者の操作力に定数を乗じただけの単純なものであ
る。そのため、移動等をさせようとする物体の質量等に
一切関係なく、どのような状態の物体でも同じアシスト
力で操作者を補助するので、操作感が悪いという印象を
与えていた。

【０００４】このような問題を解決する方策の一つとし
て、インピーダンス制御による制御方法が知られてい
る。インピーダンス制御は、移動等をさせようとする物
体を、その質量ｍ、粘性係数ｃ、ばね係数ｋを用いた運
動方程式；Ｆ ＝ ｍ×ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによりモ
デル化することにより、モータに発生させるアシスト力
Ｆを制御するものである。そして、このようなインピー
ダンス制御には、位置または速度をベースに制御するも
のと、力をベースに制御するものとがあるが、制御アル
ゴリズムの容易さから、一般には位置または速度をベー
スに制御される場合が多い。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本願発
明者らの研究により、前述したインピーダンス制御によ
っても、次のような問題のあることが判明した。例え
ば、移動中の物体を所定位置に位置決めして載置するよ
うな位置決操作の場合、一般に、移動中の物体が位置決
め予定位置に近づくと、操作者は当該物体を持った腕に
力を入れて所定の位置に物体を停止させようと試みる。
そのため、当該操作者の腕ないしは全身の筋肉がさらに
緊張することから、いわゆる「人間の剛性」が変化して
より高まる。即ち、人間の腕は、筋肉がリラックスして
いる場合に剛性が低く、筋肉が緊張している場合には剛
性が高い。したがって、両手に物体を持った人間が、そ
の物体を所定の位置に位置決めしようとしている場合に
は、移動中の場合よりも筋肉の緊張が増すので、人間の
腕の剛性がより高くなるようにその剛性が変化するもの
と考えられる。

【０００６】ところが、従来のパワーアシスト装置で
は、操作者が単に物体を楽に運ぶことをその主目的とし
ているため、インピーダンス制御をしているものの、
「人間の剛性」やその変化までは考慮されていない。そ
のため、物体の移動途中においては当該物体を楽に運ぶ
ことはできても、いざ所定の位置に位置決めしようとし
たときにも「人間の剛性」やその変化を考慮することの
ないアシストが継続されることになるので、予定した位
置に物体を位置決めしようとしても、操作者はパワーア
シスト装置に引っ張られるような感覚を受ける。つま
り、意図した位置に位置決めし難いことから、従来のパ
ワーアシスト装置では、物体の移動途中における操作感
を向上させることはできても、位置決め時の操作感を向
上させるには至っていないという問題がある。

【０００７】本発明は、上述した課題を解決するために
なされたものであり、その目的とするところは、操作感
を向上し得るパワーアシスト装置を提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段および発明の作用・効果】
上記目的を達成するため、請求項１のパワーアシスト装
置では、移動または姿勢変更の対象となる物体を操作す
る者の操作状態を検出する操作状態検出手段と、前記操
作状態検出手段により検出された前記操作状態に基づい
て、前記物体の操作をアシストし得るアシスト力Ｆを求
める演算手段と、前記演算手段により求められたアシス
ト力Ｆを発生する駆動手段と、を備えたパワーアシスト
装置であって、前記アシスト力Ｆは、前記物体の実際の
質量ｍ_R に対する前記駆動手段に係る仮想質量ｍ_V 、前
記物体の加速度ａ、前記駆動手段に係る粘性係数ｃ、前
記物体の移動速度ｖ、前記駆動手段に係るばね係数ｋ、
前記物体の位置ｘであるとき、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V
×ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められ、前記粘性
係数ｃは、前記物体の移動速度ｖに基づいて定められて
いることを技術的特徴とする。

【０００９】請求項１の発明では、演算手段により求め
られるアシスト力Ｆは、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ
＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められ、当該粘性係数
ｃは、物体の移動速度ｖに基づいて定められている。こ
れにより、演算手段により求められるアシスト力Ｆは、
物体の移動速度ｖに基づいて定められている粘性係数ｃ
を用いて運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ
×ｘによって求められるため、物体の移動速度ｖの増加
または減少に伴って粘性係数ｃを減少または増加、ひい
ては「人間の剛性」およびその変化に対応させたインピ
ーダンス制御を行うことができる。そのため、演算手段
により、操作者の腕のインピーダンス変化に倣ってアシ
スト力Ｆを求めることができるので、操作者の腕の剛性
変化に合わせたアシスト力Ｆの制御により操作者を補助
することができる。したがって、操作感を向上し得る効
果がある。

【００１０】また、請求項２のパワーアシスト装置で
は、請求項１において、前記粘性係数ｃは、前記物体の
移動速度ｖの増加に伴って減少し、前記物体の移動速度
ｖの減少に伴って増加するように、定められていること
を技術的特徴とする。

【００１１】請求項２の発明では、演算手段により求め
られるアシスト力Ｆは、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ
＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められ、当該粘性係数
ｃは、物体の移動速度ｖの増加に伴って減少し、物体の
移動速度ｖの減少に伴って増加するように、定められて
いる。これにより、演算手段により求められるアシスト
力Ｆは、物体の移動速度ｖの増加に伴って減少し、物体
の移動速度ｖの減少に伴って増加するように定められて
いる粘性係数ｃを用いて運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V×ａ ＋
ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められる。

【００１２】つまり、物体の移動速度ｖの増加に伴って
粘性係数ｃが減少するため、物体の加速時には演算され
たアシスト力Ｆが大きくなり、大きなアシスト力Ｆによ
り操作者を補助する。これに対し、物体の移動速度ｖの
減少に伴って粘性係数ｃが増加するため、物体の減速時
には演算されたアシスト力Ｆが小さくなり、小さなアシ
スト力Ｆにより操作者を補助する。これにより、例えば
物体の移動開始時には、当該物体を加速させる操作者の
腕の剛性変化（低い→高い）に合わせて大きなアシスト
力Ｆにより操作者を補助するので、物体の移動操作が楽
にできるような感覚を当該操作者に与えることができ
る。また、例えば物体の位置決め時には、当該物体を減
速させる操作者の腕の剛性変化（高い→低い）に合わせ
て小さなアシスト力Ｆにより操作者を補助するので、物
体の位置決操作が違和感なくできるような感覚を当該操
作者に与えることができる。したがって、操作感を向上
し得る効果がある。

【００１３】さらに、請求項３のパワーアシスト装置で
は、請求項１において、任意の目標位置に前記物体を位
置決めする状態における粘性係数ｃ_S は、前記位置決め
する状態における前記物体の移動速度ｖ_S よりも速い移
動速度ｖ_F 時の粘性係数ｃ_Fよりも、大きな値に設定さ
れていることを技術的特徴とする。

【００１４】請求項３の発明では、演算手段により求め
られるアシスト力Ｆは、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ
＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められ、当該粘性係数
ｃは、任意の目標位置に物体を位置決めする状態におけ
る粘性係数ｃ_S が、位置決めする状態における物体の移
動速度ｖ_S よりも速い移動速度ｖ_F 時の粘性係数ｃ_F よ
りも、大きな値に設定されている。これにより、演算手
段により求められるアシスト力Ｆは、任意の目標位置に
物体を位置決めする状態における粘性係数ｃ_S が、位置
決めする状態における物体の移動速度ｖ_S よりも速い移
動速度ｖ_F 時の粘性係数ｃ_F よりも、大きな値に設定さ
れている粘性係数ｃを用いて運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×
ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められる。

【００１５】つまり、任意の目標位置に物体を位置決め
する状態では、位置決めする状態における物体の移動速
度ｖ_S よりも速い移動速度ｖ_F 時の粘性係数ｃ_F より
も、大きな値に粘性係数ｃ_S が設定されているので、物
体の位置決め時には演算されたアシスト力Ｆが小さくな
り、小さなアシスト力Ｆにより操作者を補助する。これ
により、物体の位置決め時には、当該物体を減速させる
操作者の腕の剛性変化（高い→低い）に合わせて小さな
アシスト力Ｆにより操作者を補助するので、物体の位置
決操作が違和感なくできるような感覚を当該操作者に与
えることができる。したがって、操作感を向上し得る効
果がある。

【００１６】また、請求項４のパワーアシスト装置で
は、請求項１において、前記粘性係数ｃは、前記物体の
移動速度ｖが所定速度より増加した場合、所定期間内に
第１の所定値から第２の所定値に減少し、前記物体の移
動速度ｖが前記所定速度よりも減少した場合、前記所定
期間内に前記第２の所定値から前記第１の所定値に増加
するように、定められていることを技術的特徴とする。

【００１７】請求項４の発明では、演算手段により求め
られるアシスト力Ｆは、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ
＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められ、当該粘性係数
ｃは、物体の移動速度ｖが所定速度より増加した場合、
所定期間内に第１の所定値から第２の所定値に減少し、
物体の移動速度ｖが所定速度よりも減少した場合、所定
期間内に第２の所定値から第１の所定値に増加するよう
に、定められている。これにより、演算手段により求め
られるアシスト力Ｆは、物体の移動速度ｖが所定速度よ
り増加した場合、所定期間内に第１の所定値から第２の
所定値に減少し、物体の移動速度ｖが所定速度よりも減
少した場合、所定期間内に第２の所定値から第１の所定
値に増加するように定められている粘性係数ｃを用いて
運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによ
って求められる。

【００１８】つまり、物体の移動速度ｖが所定速度より
増加した場合、所定期間内に第１の所定値から第２の所
定値に粘性係数ｃが減少するため、粘性係数ｃを時間的
制限なく適当に減少させる場合に比べて、瞬時に減少す
る人間の腕のインピーダンス変化に倣った粘性係数ｃの
減少制御ができる。これにより、物体の加速時には、操
作者の腕のインピーダンス変化に倣って減少制御された
粘性係数ｃを用いて前記運動方程式により求めたアシス
ト力Ｆで操作者を補助する。これに対し、物体の移動速
度ｖが所定速度よりも減少した場合、所定期間内に第２
の所定値から第１の所定値に粘性係数ｃが増加するた
め、粘性係数ｃを時間的制限なく適当に増加させる場合
に比べて、瞬時に増加する人間の腕のインピーダンス変
化に倣った粘性係数ｃの増加制御ができる。これによ
り、物体の減速時には、操作者の腕のインピーダンス変
化に倣って増加制御された粘性係数ｃを用いて前記運動
方程式により求めたアシスト力Ｆで操作者を補助する。
したがって、操作者の腕の剛性変化に合わせたアシスト
力Ｆの制御により操作者を補助することができるので、
操作感をさらに向上し得る効果がある。

【００１９】さらに、請求項５のパワーアシスト装置で
は、請求項４において、前記所定速度は、前記物体の移
動速度ｖが増加した場合に比較するものを第１の所定速
度とし、前記物体の移動速度ｖが減少した場合に比較す
るものを第２の所定速度とし、両所定速度は、前記第１
の所定速度が前記第２の所定速度よりも大きい関係にあ
ることを技術的特徴とする。

【００２０】請求項５の発明では、演算手段により求め
られるアシスト力Ｆは、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ
＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによって求められ、当該粘性係数
ｃは、物体の移動速度ｖが第１の所定速度より増加した
場合、所定期間内に第１の所定値から第２の所定値に減
少し、物体の移動速度ｖが第２の所定速度よりも減少し
た場合、所定期間内に第２の所定値から第１の所定値に
増加するように、定められている（第１の所定速度＞第
２の所定速度）。これにより、物体の移動速度ｖが増加
した場合に比較する第１の所定速度と、物体の移動速度
ｖが減少した場合に比較する第２の所定速度と、が異な
り、両所定速度は第１の所定速度が第２の所定速度より
も大きい関係にあることから、物体の移動速度ｖの増減
に対する粘性係数ｃの変化にヒステリシス特性を持たせ
ることができる。そのため、単一の所定速度に対して物
体の移動速度ｖを比較する場合よりも、当該所定速度の
近傍前後において安定した粘性係数ｃの切り替えを行う
ことができる。したがって、操作感を一層向上し得る効
果がある。

【００２１】また、請求項６のパワーアシスト装置で
は、請求項１〜５のいずれか一項において、前記物体の
質量ｍ_R を測定する質量測定手段をさらに備え、前記質
量測定手段により測定された前記物体の質量ｍ_R に基づ
いて、前記仮想質量ｍ_V を増加または減少させることを
技術的特徴とする。

【００２２】請求項６の発明では、質量測定手段により
測定された物体の質量ｍ_R に基づいて、仮想質量ｍ_V を
増加または減少させるので、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×
ａ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘから、演算手段により求められ
るアシスト力Ｆを当該仮想質量ｍ_V の増減によって、増
加または減少させることができる。これにより、移動ま
たは姿勢変更の対象である物体の質量ｍ_R に基づいて
も、操作者を補助するアシスト力Ｆを変更することがで
きる。したがって、操作感をより一層向上し得る効果が
ある。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明のパワーアシスト装
置の実施形態を各図に基づいて説明する。まず、図１〜
図４を参照して本実施形態に係るパワーアシスト装置２
０の機械的な構成を説明する。

【００２４】本パワーアシスト装置２０は、主に、フレ
ーム部、駆動部、移動部４０、操作部５０および制御装
置６０から構成されており、移動または姿勢変更の対象
となるワークＷを操作する操作者Ｍの操作力に基づいて
アシスト力を発生させ、当該操作者Ｍを補助する機能を
有するものである。なお、図１には、操作者Ｍが、操作
部５０に設けられたハンド５７で物体としてのワークＷ
を把持し、本パワーアシスト装置２０によりワークＷを
作業台Ｔａ上から作業台Ｔｂ上に移動させようとしてい
る様子が示されている。

【００２５】図１に示すように、フレーム部は、パワー
アシスト装置２０の枠組みを構成するもので、グランド
面Ｇに対し略鉛直方向に立設された４本のハリ２１ａ、
２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと、グランド面Ｇに対し水平方
向にハリ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄに架けられた
４本のレール２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと、によ
り門型のフレームを構成し、それぞれ相互に連結させて
いる。

【００２６】なお、本実施形態において、ハリ２１ａ、
２１ｂ間に架けられるレール２２ａあるいはハリ２１
ｃ、２１ｄ間に架けられるレール２２ｃの長手方向をｘ
方向、ハリ２１ｂ、２１ｃ間に架けられるレール２２ｂ
あるいはハリ２１ａ、２１ｄ間に架けられるレール２２
ｄの長手方向をｙ方向とする。またグランド面Ｇに対し
鉛直方向をｚ方向とする。

【００２７】図１および図２に示すように、駆動部は、
モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ、シャフト３２ａ、３２
ｂ、３２ｃ、３２ｄ、ギヤ３３、ベルト３４、移動輪３
５、ｘ方向ロッド３６ａ、ｙ方向ロッド３６ｂ、ｚ軸用
ボールねじ３８等から構成されている。

【００２８】モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、後述す
る制御装置６０により求められたアシスト力を発生する
直流サーボモータで、制御装置６０によって制御されて
いるものである。本実施形態では、例えばブラシレス直
流モータを用い、モータ３１ａはｘ方向ロッド３６ａ、
モータ３１ｂはｙ方向ロッド３６ｂ、モータ３１ｃは雌
ねじ管４３、をそれぞれ駆動可能に構成されている。

【００２９】なお、本実施形態では、ブラシレス直流モ
ータを用いているが、これに限られることはなく、サー
ボモータであれば、任意の形態のモータを用いても良
い。また、このモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃには、モ
ータ回転角を検出する回転角センサ（エンコーダ）Ｅが
それぞれに設けられており、その検出データは後述する
制御装置６０に対して出力されている。なお、モータ３
１ａ、３１ｂ、３１ｃは、特許請求の範囲に記載の「駆
動手段」に相当するものである。

【００３０】シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ
は、レール２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄに並んで併
設されている軸部材で、それぞれの両端部にはギヤ３３
が取り付けられているほか、同端部が軸受部材によって
回動自在に支持されている。またこれらのうちシャフト
３２ｃには、その一端部にモータ３１ａが連結され、同
様にシャフト３２ｄの一端部にはモータ３１ｂが連結さ
れている。これにより、モータ３１ａの駆動力によりシ
ャフト３２ｃを、またモータ３１ｂの駆動力によりシャ
フト３２ｄを、それぞれ回転させることができる。

【００３１】ベルト３４は、ギヤ３３、ギヤ３３間に架
け渡し可能に構成されている帯状の環状部材で、並列に
位置するシャフト３２ａ、３２ｃのギヤ３３同士あるい
はシャフト３２ｂ、３２ｄのギヤ３３同士の間に架けら
れている。これにより、モータ３１ａの駆動力によりシ
ャフト３２ｃが回転すると、ベルト３４を介してシャフ
ト３２ａを回転されることができる。また同様にモータ
３１ｂの駆動力によってもシャフト３２ｂおよびシャフ
ト３２ｄを回転させることができる。

【００３２】ｘ方向ロッド３６ａは、後述する中央ベー
ス４１をｘ軸方向に案内可能な軸部材で、その両端に
は、レール２２ｂ、２２ｄ上を転動可能な移動輪３５が
取り付けられている。そして、当該両端部は、軸受部材
によって回動自在に支持されている。この軸受部材に
は、前述のベルト３４が連結されているため、ｘ方向ロ
ッド移動用のモータ３１ａから出力される駆動トルク
は、ギヤ３３、シャフト３２ｃおよびベルト３４を介し
てｘ方向ロッド３６ａに伝達される。これにより、ベル
ト３４により伝達された当該駆動トルクによって、ｘ方
向ロッド３６ａをｙ軸方向に移動させることができる。

【００３３】ｙ方向ロッド３６ｂも、ｘ方向ロッド３６
ａと同様な構成を採っている。即ち、ｙ方向ロッド３６
ｂは、中央ベース４１をｙ軸方向に案内可能な軸部材
で、その両端には、レール２２ａ、２２ｃ上を転動可能
な移動輪３５が取り付けられ、さらに当該両端部は、軸
受部材により回動自在に支持されている。この軸受部材
にもベルト３４が連結されているので、ｙ方向ロッド移
動用のモータ３１ｂから出力される駆動トルクは、ギヤ
３３、シャフト３２ｄおよびベルト３４を介してｙ方向
ロッド３６ｂに伝達される。これにより、ベルト３４に
より伝達された駆動トルクによって、ｙ方向ロッド３６
ｂをｘ軸方向に移動させることができる。

【００３４】図２および図３に示すように、ｚ軸用ボー
ルねじ３８はねじ棒であり、中央ベース４１の略中央に
鉛直方向に貫通するように設けられた雌ねじ管４３とと
もにねじ送り機構を構成している。本実施形態では、中
央ベース４１はｚ軸方向には移動しないので、モータ３
１ｃの駆動力によって雌ねじ管４３が時計回りあるいは
反時計回りに回転することで、その軸（ｚ軸）方向上下
にｚ軸用ボールねじ３８を移動させることができる。

【００３５】移動部４０は、中央ベース４１を主に構成
されている。この中央ベース４１の下面には、前述した
ｘ方向ロッド３６ａを軸受可能な軸受４２ａと、ｙ方向
ロッド３６ｂを軸受可能な軸受４２ｂと、が取り付けら
れており、さらに略中央には鉛直（ｚ軸）方向に貫通し
た雌ねじ管４３が回動自在に支持されている。

【００３６】これにより、ｘ方向ロッド３６ａおよびｙ
方向ロッド３６ｂの移動に伴って、中央ベース４１をｘ
ｙ平面上に自在に移動させることができるので、ｘ方向
ロッド３６ａの移動量およびｙ方向ロッド３６ｂの移動
量をモータ３１ａの回転角およびモータ３１ｂの回転角
により制御することによって、ｘｙ座標系の制御点を決
定することができる。また、前述したようにｚ軸用ボー
ルねじ３８とともにねじ送り機構を構成する雌ねじ管４
３の回転に伴って、ｚ軸用ボールねじ３８をｚ軸方向に
上下動させることができるので、当該ｚ軸用ボールねじ
３８のｚ軸方向の移動量をモータ３１ｃの回転角により
制御することによってｚ座標系の制御点を決定すること
ができる。

【００３７】図２および図３に示すように、操作部５０
は、主に、操作ハンドル５２、フォースセンサ５４、重
量センサ５５、ハンド５７等から構成されており、ｚ軸
用ボールねじ３８の下端部に設けられている。

【００３８】操作ハンドル５２は、操作者Ｍが両手で握
ることのできるように形成された棒状部材で、ｚ軸用ボ
ールねじ３８の径方向両側に突設されている。なお、こ
の操作ハンドル５２の付近には、図略の緊急停止ボタン
等の操作スイッチが配列されており、また図略の小型カ
メラ等が装着されている。これにより、操作部５０から
操作者Ｍまでの距離を随時測定することができる。

【００３９】フォースセンサ５４は、操作者Ｍの操作状
態を検出するもので、例えば、操作ハンドル５２に加え
られた操作力の大きさやその方向を検出することが可能
な６軸（ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸、およびｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の
それぞれの回転軸ａ軸、ｂ軸、ｃ軸）による力覚センサ
が用いられる。本実施形態では、６軸のうち、ｘ軸、ｙ
軸、ｚ軸についてわかれば足りる。なお、フォースセン
サ５４は、特許請求の範囲に記載の「操作状態検出手
段」に相当するものである。

【００４０】重量センサ５５は、ワークＷの重さ、即ち
質量ｍ_R を測定するもので、例えば、重量計が用いられ
る。この重量センサ５５は、特許請求の範囲に記載の
「質量測定手段」に相当するものである。なお、フォー
スセンサ４７および重量センサ５５により検出または測
定された検出・測定データは、無線回線または有線回線
を介して制御装置６０に対して出力される。

【００４１】ハンド５７は、ワークＷを把持する機能を
有するもので、対向する２本の爪をエアシリンダ等によ
り開閉することによって、ワークＷを掴んだり、放した
りすることができるように構成されている。

【００４２】図４に示すように、制御装置６０は、前述
したフォースセンサ５４、重量センサ５５、回転角セン
サＥ等から送られてくる各種データに基づいて、後述す
る所定の演算・制御処理を実行するもので、主に、ＣＰ
Ｕ６１、インタフェイス（Ｉ／Ｆ）６３、モータ駆動回
路６５等から構成されている。なお、この制御装置６０
は、特許請求の範囲に記載の「演算手段」に相当するも
のである。

【００４３】ＣＰＵ６１は、演算処理装置であり、図略
のＲＯＭ、ＲＡＭ等のメモリとともに所定プログラムに
基づいて演算処理を実行可能に構成されているものであ
る。本実施形態では、インタフェイス６３を介して入力
される操作力およびその方向、ワークＷの質量ｍ_R 、モ
ータ３１ａ等の回転角に基づいて、モータ駆動回路６５
へ送出すべき電流指令値を決定しモータ駆動回路６５に
出力する処理を行う。なお、図略のＲＯＭ、ＲＡＭ等の
メモリには、パワーアシスト装置２０を制御するための
制御プログラムや後述する粘性係数可変処理等が格納さ
れている。

【００４４】インタフェイス６３は、ＣＰＵ６１とフォ
ースセンサ５４等のセンサ群との間に介在するもので、
Ａ／Ｄ変換や信号レベルの調整等を行い得るものであ
る。モータ駆動回路６５は、図略のバッテリ、ＰＷＭ変
換器、スイッチング回路等から構成されており、チョッ
パ制御により駆動電流を正弦波にしてモータ３１ａ、３
１ｂ、３１ｃに駆動電力を供給し得るものである。

【００４５】次に、このような構成からなる制御装置６
０による制御ブロックの構成を図５に基づいて説明す
る。図５に示すように、本機能ブロックは、フォースセ
ンサ５４から送られてくる検出データが信号入力される
ところから始まる。フォースセンサ５４から入力された
操作力情報やその方向情報は、まずインタフェイス６３
に内蔵されたＡ／Ｄ変換器（６３）によりアナログ信号
からディジタル信号に変換される。そして、ディジタル
信号に変換された操作力情報やその方向情報から、ディ
ジタルフィルタ６１ａにより、不要なノイズ成分を除去
したり、また操作部５０の機械的な固有振動数成分やフ
ォースセンサ５４の軸干渉成分を除去する。このディジ
タルフィルタ６１には、例えば、フォースセンサ５４の
軸干渉成分の周波数をカットオフ周波数に設定したロー
パスフィルタや、操作部５０の機械的な固有振動数成分
を選択的に除去するノッチフィルタ等が用いられる。

【００４６】ディジタルフィルタ６１ａの後段には、ア
シストマップ６１ｂが設けられている。このアシストマ
ップ６１ｂは、フィルタ処理された操作力情報に基づい
てモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃにより発生させるアシ
スト力を予め用意されたマップにより求める機能を有す
るもので、例えば、アシストマップとして図６(A) に示
すようなものがある。

【００４７】例えば、図６(A) に示すように、このアシ
ストマップ６１ｂは、前方または後方に加わった操作力
が７Ｎ以上５０Ｎ以下までの範囲においては、ほぼ正比
例の関係でモータの定格電流の１．５倍まで増加するよ
うにアシスト力がマッピングされている。また前方ある
いは後方に加わった操作力が５０Ｎ以上の場合には、モ
ータ３１ａ等の安全を考慮して発生させるアシスト力が
所定値（例えば定格電流の１．５倍）で飽和するように
マッピングされている。なお、操作ハンドル５２に僅か
に手が触れた程度の操作力（７Ｎ未満）の場合には、不
用意にアシストしないように、例えば定格電流を０倍に
マッピングした不感帯を設定している。

【００４８】アシストマップ６１ｂにより、アシスト力
が設定されると、次に、速度判定６１ｃを行う。この速
度判定６１ｃは、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに取り
付けられた回転角センサＥから入力された回転角情報に
基づいて求められたワークＷの移動速度によって、その
移動速度を判定する機能を有するものである。例えば、
図６(B) に示すように、移動速度が０．９ｍ／ｓ以下の
場合には、トルク指令演算６１ｄを行い、移動速度が
０．９ｍ／ｓを超えた場合には、速度指令演算６１ｅを
行うという、選択処理を行うものである。

【００４９】ここで、このように速度判定６１ｃによっ
て、ワークＷの移動速度を判断する必要があるのは、次
の理由による。即ち、トルク指令演算６１ｄは、モータ
３１ａ等により発生させるアシストトルクを一定にする
ように制御するようにトルク指令値を出力する機能を有
するものであるため、図６(B) に示すように、トルク指
令演算６１ｄの場合には、アシストトルクを一定にする
ことにより、加速し続けるように制御される。これに対
して、速度指令演算６１ｅは、移動途中のワークＷの移
動速度が一定になるように速度指令値を出力する機能を
有するものであるため、図６(B) に示すように、速度指
令演算６１ｅの場合には、移動速度が例えば１．０ｍ／
ｓというように一定になるように制御される。このよう
な両指令演算の特性から、ワークＷの移動速度が一定の
速度以上になると、トルク指令演算６１ｄから速度指令
演算６１ｅに切り替えるための制御を行う必要があるた
め、ワークＷの移動速度の判定を速度判定６１ｃにより
行っている。

【００５０】このようにトルク指令演算６１ｄは、モー
タ３１ａ等により発生させるアシストトルクを一定にす
るように制御するようにトルク指令値を出力する機能を
有するものである。そのため、トルク指令演算６１ｄで
は、トルク指令値を所定のトルク演算により求めるが、
本実施形態では、当該所定のトルク演算によりトルク値
を求めた後、さらにこの求めたトルク値からｃ×ｖ相当
値を減算する処理を行う。即ち、後述するように設定さ
れる粘性係数ｃとワークＷの移動速度ｖとの積（ｃ×
ｖ）をモータ３１ａ等の回転力に換算したものを、当該
求めたトルク値から引き、その結果をトルク指令値とし
て出力するようにしている。これにより、ワークＷの移
動速度ｖに基づいて定められている粘性係数ｃを用いて
当該トルク指令値が求められる。

【００５１】また、速度指令演算６１ｅも、移動途中の
ワークＷの移動速度が一定になるように速度指令値を出
力する機能を有するものである。そのため、速度指令演
算６１ｅでは、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ ＋ ｃ×ｖ
＋ ｋ×ｘから、加速度ａを求めて（ａ ＝ （Ｆ−ｃ×
ｖ−ｋ×ｘ）／ｍ_V ）、これに所定のサンプリング周期
を乗算することにより速度を算出し、さらにこの算出し
た速度を所定時間で積分することにより、速度指令値を
求めることができるので、その結果を速度指令値として
出力するようにしている。これにより、ワークＷの移動
速度ｖに基づいて定められている粘性係数ｃを用いて当
該速度指令値が求められる。

【００５２】なお、前記運動方程式において、Ｆはアシ
スト力、ｍ_R はワークＷの実際の質量、ｍ_V は質量ｍ_R
に対するモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに係る仮想質
量、ａはワークＷの加速度、ｃはモータ３１ａ、３１
ｂ、３１ｃに係る粘性係数、ｖはワークＷの移動速度、
ｋはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに係るばね係数、ｘ
はワークＷの位置である。本実施形態ではｋ＝０として
いる。

【００５３】したがって、トルク指令演算６１ｄおよび
速度指令演算６１ｅのいずれにおいても、ワークＷの移
動速度ｖの増加または減少に伴って粘性係数ｃを減少ま
たは増加、ひいては「人間の剛性」およびその変化に対
応させたインピーダンス制御を行うことができる。

【００５４】電流制御６１ｆは、前段のトルク指令演算
６１ｄや速度指令演算６１ｅにより演算されたトルクあ
るいは速度に基づいて、それに相当するモータ３１ａ、
３１ｂ、３１ｃの駆動電流を演算および制御する機能を
有するもので、その結果をモータ３１ａ、３１ｂ、３１
ｃに出力している。

【００５５】速度演算６１ｇは、モータ３１ａ、３１
ｂ、３１ｃに設けられた回転角センサＥから出力されて
くるモータ回転角に基づいてワークＷの移動速度を演算
する機能を有するもので、その演算結果は速度判定６１
ｃ、トルク指令演算６１ｄおよび速度指令演算６１ｅに
出力されている。

【００５６】次に、制御装置６０により行われる粘性係
数ｃの設定処理の例を図７および図８に基づいて説明す
る。図７に示すように、粘性係数可変処理では、所定の
初期化処理の後、まずステップＳ１０１により、粘性係
数ｃを第１の所定値に設定する処理を行う。本実施形態
では、例えば１００Ｎ・ｓ／ｍを第１の所定値とするこ
とにより、最初の粘性係数ｃをこの値に設定する。

【００５７】次にステップＳ１０３に処理を移行してワ
ークＷの移動速度ｖ（ｘdt）が第１の所定速度ｖ0 を超
えているか否かの判断を行う。このステップＳ１０３で
は、第１の所定速度ｖ0 （例えば０．０２ｍ／ｓ）より
も速くワークＷが移動しているか否かを判断することに
よって、第１の所定速度ｖ0 を超えた移動速度ｖでワー
クＷを移動させている場合には（Ｓ１０３でＹｅｓ）、
操作者Ｍが比較的長い距離においてワークＷを移動して
いるか、またはそのようにしようとしているものと判断
する。

【００５８】即ち、移動中のワークＷを所定の位置に位
置決めしようとしている場合には、操作者Ｍは操作部５
０の操作ハンドル５２を握る腕等が必然的に緊張するこ
とから、前述したように操作者Ｍの腕ないしは全身の剛
性が高まる傾向にある。そのため、ワークＷの位置決め
途中、特に微小位置決めの状態にある場合には、ワーク
Ｗの移動速度ｖが極めて遅くなることに着目して、経験
的事実に基づいて決定された第１の所定速度ｖ0 （例え
ば０．０２ｍ／ｓ〜０．０１ｍ／ｓ）を超えているか否
かをステップＳ１０３により判断する。

【００５９】そして、ステップＳ１０３によりワークＷ
の移動速度ｖが第１の所定速度ｖ0を超えていると判断
できるまでこの判断処理を続け、当該判断ができると
（Ｓ１０３でＹｅｓ）、続くステップＳ１０５による第
２の所定値設定処理に移行する。ここで、図８を参照し
て第２の所定値設定処理の流れを説明する。

【００６０】図８に示すように、第２の所定値設定処理
は、ステップＳ２０１によるタイマの初期化処理から始
まる。即ちタイマカウンタｔにゼロを設定する処理を行
う。なお、このタイマカウンタｔは、特許請求の範囲に
記載の「所定期間」を計時するためのものである。

【００６１】次にステップＳ２０３により、粘性係数ｃ
＝ Ｃ₁ｅ^kt−Ｃ₂ｅ^-kt の演算処理、つまり粘性係数ｃ
の設定を行う。この演算を所定期間（０．３秒〜０．５
秒）内に繰り返し実行することにより、図１０に示すよ
うな人間の粘性係数の特性カーブαに近似するように、
粘性係数ｃを減少させることができるため、このような
演算をしている。なお、図１０に示す特性は、逐次最小
２乗法を用いて人間のインピーダンス特性を計算したも
ので、同図中、αは人間の粘性係数、βはばね係数を示
すものである。

【００６２】

【数１】 上式（１）において、Ｃ₁ 、Ｃ₂ は、次式（１）により
与えられるもので、同式中のｃ_s は粘性係数の最大値、
ｃ_f は粘性係数の最小値、ｔ_f は減少させる時間、Ａ／
Ｂは粘性係数を減少させる速さをそれぞれ表している。

【００６３】ステップＳ２０３による粘性係数ｃの演算
が終わると、次のステップＳ２０５により、ワークＷの
移動速度ｖ（ｘdt）が第２の所定速度ｖ1 未満であるか
否かの判断を行う。このステップＳ２０５では、第２の
所定速度ｖ1 （例えば０．０２ｍ／ｓ）よりも遅くワー
クＷが移動しているか否かを判断することによって、第
２の所定速度ｖ1 よりも遅い移動速度ｖでワークＷを移
動させている場合には（Ｓ２０５でＹｅｓ）、操作者Ｍ
が所定位置にワークＷを位置決めしている途中か、また
はそのようにしようとしているものと判断し、当該第２
の所定値設定処理を抜けて図７に示す粘性係数可変処理
に戻る。

【００６４】一方、第２の所定速度ｖ1 よりも遅い移動
速度ｖでワークＷを移動させていると判断できない場合
には（Ｓ２０５でＮｏ）、ステップＳ２０７に処理を移
行してタイマカウンタｔに所定時間Ｔを加算する。そし
て、ステップＳ２０９によりタイマカウンタｔの値がタ
イムアップ値ｔ_f を超えているか否かの判断を行う。な
お、このタイムアップ値ｔ_f には、例えば０．４秒が設
定されている。

【００６５】ステップＳ２０９により、タイマカウンタ
ｔの値がタイムアップ値ｔ_f を超えていると判断できた
場合には（Ｓ２０９でＹｅｓ）、所定期間が経過してい
るので当該第２の所定値設定処理を抜けて図７に示す粘
性係数可変処理に戻る。一方、タイマカウンタｔの値が
タイムアップ値ｔ_f を超えていると判断できない場合に
は（Ｓ２０９でＮｏ）、未だ所定期間が経過していない
ので、処理をステップＳ２０３に移して再び式（１）の
演算により粘性係数ｃの設定を行う。

【００６６】ここで、タイムアップ値ｔ_fに０．４秒を
設定している理由について、図１０を参照して説明す
る。図１０は、前述したように、人間のインピーダンス
特性を逐次最小２乗法を用いて計算したもので、同図中
には、人間の粘性係数αおよびばね係数βが示されてい
る。この図１０に示す人間のインピーダンス変化は、人
間の腕が外部から強制的に変位を加えられたときの人間
が力を抜く特性ともいえるため、人間の剛性が高いとこ
ろから低いところに変位した場合のインピーダンス特性
としても同様に捉えることができる。

【００６７】そこで、粘性係数の特性カーブαをみる
と、粘性係数が１００Ｎ・ｓ／ｍから１０Ｎ・ｓ／ｍに
変位するまでに０．３秒〜０．５秒の時間を要している
ことがわかる。したがって、この０．３秒〜０．５秒の
時間に合わせた期間内に式（１）による粘性係数ｃの減
算を行ってやれば図１０に示す人間のインピーダンス特
性に倣ったインピーダンス制御をすることできることに
なるので、ステップＳ２０７によるタイムアップ値ｔ_f
を０．４秒に設定し、ステップＳ２０９によりタイマカ
ウンタｔの値がタイムアップ値ｔ_f を超えているか否か
の判断を行うこととしている。

【００６８】図７に戻り粘性係数可変処理を参照する
と、ステップＳ１０７では、ワークＷの移動速度ｖ（ｘ
dt）が第２の所定速度ｖ1 未満であるか否かの判断を行
う。このステップＳ２０５では、第２の所定速度ｖ1
（例えば０．０２ｍ／ｓ）よりも遅くワークＷが移動し
ているか否かを判断することによって、第２の所定速度
ｖ1 よりも遅い移動速度ｖでワークＷを移動させている
と判断できるまで（Ｓ１０７でＹｅｓ）、このステップ
Ｓ１０７をループして待つ。そして、第２の所定速度ｖ
1 よりも遅い移動速度ｖでワークＷを移動させていると
判断できる場合には（Ｓ１０７でＹｅｓ）、操作者Ｍが
所定位置にワークＷを位置決めしている途中か、または
そのようにしようとしているものと判断して、続くステ
ップＳ１０９に処理を移行する。

【００６９】そして、ステップＳ１０９により、粘性係
数ｃを第１の所定値に設定する処理を、ステップＳ１０
１と同様に行う。本実施形態では、例えば１００Ｎ・ｓ
／ｍを第１の所定値とすることにより、最後の粘性係数
ｃをこの値に設定している。

【００７０】ここで、上述したように粘性係数ｃを変化
させることがｘｙ方向の移動のみならず、ｚ軸方向の移
動にも有効であることを明かにするため、パワーアシス
ト装置２０のハンド５７に把持させたワークＷを作業台
Ｔａの上方からｚ軸方向に移動させ、作業台Ｔａ上に載
置した場合おけるワークＷの挙動や操作力の変化を図１
１〜図１３に基づいて説明する。なお、この図１１〜図
１３に示す特性図は、本願発明者らによる実験結果に基
づくものである。

【００７１】図１１には、粘性係数ｃを１００Ｎ・ｓ／
ｍの一定に設定した場合における特性図で、上から順番
に、それぞれの縦軸は、ワークＷの初期位置を原点とし
た現在位置、フォースセンサ５４で測定した操作力、ワ
ークＷの移動速度ｖ、粘性係数ｃを表し、それぞれの横
軸は時間（秒）を表す。また図１２には、粘性係数ｃを
５００Ｎ・ｓ／ｍの一定に設定した場合における特性図
で、その他、各特性図の軸スケール等は図１１と同様で
ある。さらに図１３には、移動開始後、１．５秒前後に
粘性係数ｃを５００Ｎ・ｓ／ｍから１００Ｎ・ｓ／ｍ
に、約２秒間で減少させた場合における特性図で、その
他、各特性図の軸スケール等は図１１と同様である。

【００７２】図１１および図１２により、粘性係数ｃを
一定に設定した場合には、移動開始から６秒付近におい
て、ｚ軸方向位置が一定になっていることから、ワーク
Ｗあるいはハンド５７の先端と作業台Ｔａとが接触した
ことがわかるが、その後、操作力を示すカーブに振動状
態を示すスパイク状の波形が記録されている。つまり、
ｚ軸方向の位置決めが十分にできていなかったことか
ら、作業台ＴａにワークＷが接触したときの反作用によ
って、作業台Ｔａ上でワークＷが跳ねていることが予想
される。

【００７３】一方、図１３により、粘性係数ｃを可変し
た場合にも、移動開始から６秒付近において、ｚ軸方向
位置が一定になっていることから、ワークＷあるいはハ
ンド５７の先端と作業台Ｔａとが接触したことがわかる
が、その後、操作力のカーブをみても特に目立った振動
を起こすことがないため、作業台Ｔａ上にワークＷを安
定して載置できていること、つまりｚ軸方向の位置決め
が十分にできていることがわかる。

【００７４】以上説明したように粘性係数ｃを設定する
ことにより、ワークＷの移動速度ｖが第１の所定速度ｖ
0 より増加した場合、所定期間内に第１の所定値から第
２の所定値に粘性係数ｃが減少するため、粘性係数ｃを
時間的制限なく適当に減少させる場合に比べて、瞬時に
減少する人間の腕のインピーダンス変化に倣った粘性係
数ｃの減少制御ができる。これにより、ワークＷの加速
時には、操作者Ｍの腕のインピーダンス変化に倣って減
少制御された粘性係数ｃを用いて、運動方程式；Ｆ ＝
ｍ_V ×ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘにより求めたアシスト力
Ｆで操作者Ｍを補助する。これに対し、ワークＷの移動
速度ｖが所定速度よりも減少した場合、所定期間内に第
２の所定値から第１の所定値に粘性係数ｃが増加するた
め、粘性係数ｃを時間的制限なく適当に増加させる場合
に比べて、瞬時に増加する人間の腕のインピーダンス変
化に倣った粘性係数ｃの増加制御ができる。これによ
り、ワークＷの減速時には、操作者Ｍの腕のインピーダ
ンス変化に倣って増加制御された粘性係数ｃを用いて前
記運動方程式により求めたアシスト力Ｆで操作者を補助
する。したがって、操作者Ｍの腕の剛性変化に合わせた
アシスト力Ｆの制御により操作者Ｍを補助することがで
き、操作感をさらに向上し得る効果がある。

【００７５】また、制御装置６０により求められるアシ
スト力Ｆは、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ _V ×ａ ＋ ｃ×ｖ
＋ ｋ×ｘによって求められ、粘性係数ｃは、ワークＷ
の移動速度ｖが第１の所定速度ｖ0 より増加した場合、
所定期間内に第１の所定値から第２の所定値に減少し、
ワークＷの移動速度ｖが第２の所定速度ｖ1 よりも減少
した場合、所定期間内に第２の所定値から第１の所定値
に増加するように、定められている。これにより、ワー
クＷの移動速度ｖが増加した場合に比較する第１の所定
速度ｖ0 と、ワークＷの移動速度ｖが減少した場合に比
較する第２の所定速度ｖ1 と、が異なり、両所定速度は
第１の所定速度ｖ0 が第２の所定速度ｖ1よりも大きい
関係にあることから、ワークＷの移動速度ｖの増減に対
する粘性係数ｃの変化にヒステリシス特性を持たせるこ
とができる。そのため、単一の所定速度に対してワーク
Ｗの移動速度ｖを比較する場合よりも、当該所定速度の
近傍前後において安定した粘性係数ｃの切り替えを行う
ことができる。したがって、操作感を一層向上し得る効
果がある。

【００７６】なお、上述したパワーアシスト装置２０で
は、ワークＷの移動速度ｖに基づいて粘性係数ｃを定め
ているので、起動、移動、位置決め等の工程が予めわか
らない場合であっても、上述の如き、作用および効果を
得ることができる。

【００７７】次に、図９を参照して、本実施形態による
粘性係数可変処理の変形例等を説明する。図９(A) 、
(B) には、前述したステップＳ２０３による粘性係数ｃ
＝ Ｃ ₁ｅ^kt−Ｃ₂ｅ^-kt の演算処理に用いられるパラメ
ータｃ_s およびｃ_f を可変する例が示されている。例え
ば図９(A) に示す処理では、ステップＳ３１１によりワ
ークＷが床や壁に接触したか否かを判断し、もし接触し
ている場合には（Ｓ３１１でＹｅｓ）、ステップＳ３１
３によりｃ_s ＝k1×ｃ_s の演算を行うことにより、パラ
メータｃ_s を変化させる。これにより、前述したステッ
プＳ２０３による粘性係数ｃの演算結果に影響を与える
ため、例えば床や壁に接触した場合には粘性係数ｃを大
きく設定することで、床や壁によるワークＷの跳ね返り
を抑制することができる。

【００７８】また、図９(B) に示す処理では、ステップ
Ｓ３２１によりｃ_f ＝k2×ｍ_V の演算を行うことによ
り、ワークＷの仮想質量ｍ_V に基づいてパラメータｃ_f
を変化させる。これにより、ワークＷの仮想質量ｍ_V に
即した値をパラメータｃ_f に設定することができる。

【００７９】さらに、図９(C) に示す処理では、ステッ
プＳ３３１によりｍ_V ’＝k3×ｍ_Vの演算を行うことに
より、ワークＷの仮想質量ｍ_V を係数k3に基づいて変化
させる。これにより、ワークＷの実際の質量ｍ_R とは異
なる仮想質量ｍ_V ’に基づいて運動方程式；Ｆ ＝
ｍ_V ’×ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘによりアシスト力Ｆを
求めることができるので、例えば、重量センサ５５によ
り測定された物体の質量ｍ _R に基づいて、仮想質量ｍ_V
を増加または減少させた仮想質量ｍ_V ’から、アシスト
力Ｆを制御装置６０により求めることができる。これに
より、ワークＷ物体の質量ｍ_R に基づいても、操作者Ｍ
を補助するアシスト力Ｆを変更することができる。

【００８０】なお、パワーアシスト装置２０では、重量
センサ５５によりワークＷの質量ｍ _R を測定し、測定し
たワークＷの質量ｍ_R に基づいて、仮想質量ｍ_V を増加
または減少させても良い。これにより、重量センサ５５
により測定されたワークＷの質量ｍ_R に基づいて、仮想
質量ｍ_V を増加または減少させるので、運動方程式；Ｆ
＝ ｍ_V ×ａ ＋ ｃ×ｖ ＋ ｋ×ｘから、制御装置６０
により求められるアシスト力Ｆを当該仮想質量ｍ_V の増
減によって、増加または減少させることができるため、
ワークＷの質量ｍ_R に基づいても、操作者Ｍを補助する
アシスト力Ｆを変更することができる。したがって、操
作感をより一層向上し得る効果がある。

【００８１】なお、本実施形態では、パワーアシスト装
置２０に本発明を適用して説明したが、本発明はこれに
限られることはなく、自動車、航空機、鉄道車両、ロボ
ット等を構成する人間の運動を伝達する操作器について
もパワーアシスト装置２０と同様に本発明を適用するこ
とができ、上述同様の作用および効果を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係るパワーアシスト装置
の機械的構成を示す斜視図で、パワーアシスト装置の上
方から見たものである。

【図２】本実施形態のパワーアシスト装置の機械的構成
を示す斜視図で、パワーアシスト装置のほぼ側方から見
たものである。

【図３】本パワーアシスト装置の機械的構成を示す斜視
図で、パワーアシスト装置の下方から見たものである。

【図４】本パワーアシスト装置の制御装置の構成を示す
ブロック図である。

【図５】本パワーアシスト装置の制御装置による制御機
能の構成を示す機能ブロック図である。

【図６】図６(A) は、図５に示すアシストマップの一例
を示す説明図で、図６(B) は、移動速度ｖに対する指令
制御の切り替えと、本パワーアシスト装置の制御装置に
おける移動速度ｖに対する粘性係数ｃの可変設定例とを
示す説明図である。

【図７】本パワーアシスト装置の制御装置による粘性係
数可変処理の流れを示すフローチャートである。

【図８】図７に示す第２の所定値設定処理の流れを示す
フローチャートである。

【図９】本パワーアシスト装置の制御装置による粘性係
数可変処理の変形例等を示すフローチャートである。

【図１０】人間のインピーダンス特性を逐次最小２乗法
を用いて計算した結果を示す特性図で、粘性係数および
ばね係数を示すものである。

【図１１】パワーアシスト装置のハンドに把持させたワ
ークを作業台の上方からｚ軸方向に移動させた場合にお
けるワークの挙動や操作力の変化等を示す特性図で、粘
性係数を一定（１００Ｎ・ｓ／ｍ）にしたものある。

【図１２】パワーアシスト装置のハンドに把持させたワ
ークを作業台の上方からｚ軸方向に移動させた場合にお
けるワークの挙動や操作力の変化等を示す特性図で、粘
性係数を一定（５００Ｎ・ｓ／ｍ）にしたものある。

【図１３】パワーアシスト装置のハンドに把持させたワ
ークを作業台の上方からｚ軸方向に移動させた場合にお
けるワークの挙動や操作力の変化等を示す特性図で、粘
性係数を可変したものある。

【符号の説明】

２０ パワーアシスト装置 ３１ａ、３１ｂ、３１ｃ モータ （駆
動手段） ３６ａ ｘ方向ロッド ３６ｂ ｙ方向ロッド ３８ ｚ軸用ボールねじ ５４ フォースセンサ（操
作状態検出手段） ５５ 重量センサ （質
量測定手段） ６０ 制御装置 （演
算手段） Ｗ ワーク （物
体） Ｍ 操作者 ｖ0 第１の所定速度 ｖ1 第２の所定速度

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 久 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 蓑島 博仁 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 太田 和美 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 本田 朋寛 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内 (72)発明者 松田 祐子 愛知県刈谷市朝日町１丁目１番地 豊田工 機株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 移動または姿勢変更の対象となる物体を
   操作する者の操作状態を検出する操作状態検出手段と、 前記操作状態検出手段により検出された前記操作状態に
   基づいて、前記物体の操作をアシストし得るアシスト力
   Ｆを求める演算手段と、 前記演算手段により求められたアシスト力Ｆを発生する
   駆動手段と、 を備えたパワーアシスト装置であって、 前記アシスト力Ｆは、前記物体の実際の質量ｍ_R に対す
   る前記駆動手段に係る仮想質量ｍ_V 、前記物体の加速度
   ａ、前記駆動手段に係る粘性係数ｃ、前記物体の移動速
   度ｖ、前記駆動手段に係るばね係数ｋ、前記物体の位置
   ｘであるとき、運動方程式；Ｆ ＝ ｍ_V ×ａ ＋ ｃ×ｖ
   ＋ ｋ×ｘによって求められ、 前記粘性係数ｃは、前記物体の移動速度ｖに基づいて定
   められていることを特徴とするパワーアシスト装置。
2. 【請求項２】 前記粘性係数ｃは、前記物体の移動速度
   ｖの増加に伴って減少し、前記物体の移動速度ｖの減少
   に伴って増加するように、定められていることを特徴と
   する請求項１記載のパワーアシスト装置。
3. 【請求項３】 任意の目標位置に前記物体を位置決めす
   る状態における粘性係数ｃ_S は、前記位置決めする状態
   における前記物体の移動速度ｖ_S よりも速い移動速度ｖ
   _F 時の粘性係数ｃ_F よりも、大きな値に設定されている
   ことを特徴とする請求項１記載のパワーアシスト装置。
4. 【請求項４】 前記粘性係数ｃは、 前記物体の移動速度ｖが所定速度より増加した場合、所
   定期間内に第１の所定値から第２の所定値に減少し、 前記物体の移動速度ｖが前記所定速度よりも減少した場
   合、前記所定期間内に前記第２の所定値から前記第１の
   所定値に増加するように、定められていることを特徴と
   する請求項１記載のパワーアシスト装置。
5. 【請求項５】 前記所定速度は、 前記物体の移動速度ｖが増加した場合に比較するものを
   第１の所定速度とし、前記物体の移動速度ｖが減少した
   場合に比較するものを第２の所定速度とし、両所定速度
   は、前記第１の所定速度が前記第２の所定速度よりも大
   きい関係にあることを特徴とする請求項４記載のパワー
   アシスト装置。
6. 【請求項６】 前記物体の質量ｍ_R を測定する質量測定
   手段をさらに備え、 前記質量測定手段により測定された前記物体の質量ｍ_R
   に基づいて、前記仮想質量ｍ_V を増加または減少させる
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の
   パワーアシスト装置。