JP2004277039A

JP2004277039A - Power assist device

Info

Publication number: JP2004277039A
Application number: JP2003067833A
Authority: JP
Inventors: Yoshiatsu Ikeura; 良淳池浦; Hisashi Nakamura; 久中村; Kazumi Ota; 和美太田; Tomohiro Honda; 朋寛本田; Yuko Matsuda; 祐子松田
Original assignee: Mie University NUC; Toyoda Koki KK
Current assignee: Mie University NUC; Toyoda Koki KK
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power assist device capable of improving operation feeling. <P>SOLUTION: In this power assist device, operation force of an operator operating a workpiece is detected by a force sensor 54, and a position and speed of a hand, mass of a movable part including mass of the workpiece, viscous resistance, and friction resistance as predetermined control parameters related to a frame part, a driving part, a moving part, and an operation part are inferred by a Karman filter computing part 61a. Assist force required by an impedance control part 61b based on operation force, position and speed of the hand, mass of the movable part, viscous resistance, and friction resistance is generated by motors 31a, 31b, 31c. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【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操作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（以下「ワーク」という。）を操作する操作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として、例えば本願発明者らにより開発されたインピーダンス制御を用いたパワーアシスト装置がある（非特許文献１および特願２００２−０５８２８８号）。
【０００３】
このパワーアシスト装置では、最適可変ダンピング制御によって、操作者の腕のインピーダンス変化に倣って制御される粘性係数を用いて必要なアシスト力を求め、このアシスト力により操作者を補助し得るように構成している。これにより、操作者の腕の剛性変化に合わせたアシスト力の制御が可能になるため、操作者に与える操作感のさらなる向上を可能にしている。
【０００４】
そして、このような従来のパワーアシスト装置においては、制御の対象となるロボットハンド等の装置可動部（以下「可動部」という。）の質量、粘性係数、摩擦係数を用いた運動方程式でモデル化してアシスト力を制御することにより、当該可動部の質量、粘性係数、摩擦係数に合わせた適切なアシスト力の発生を可能にしており、このような所定の制御パラメータには、予め与えられた所定値（例えば設計値や所定範囲内の既定値）が用いられている。
【０００５】
【非特許文献１】
林、池浦、中村、他２名、日本機械学会東海支部第５１期総会講演会講演論文集、２００２年、ｐ．１２７−１２８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようなパワーアシスト装置をはじめとして可動部を有する設備装置一般においては、当該装置の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合や経年変化が生じた場合等には、それに伴い当該可動部の粘性係数、摩擦係数等の制御パラメータも変化し得ると考えられる。そのため、このような場合に、予め設定されている設計値や既定値をこれらの制御パラメータに用いていたのでは、適切なアシスト力を発生させることが困難になるという問題がある。
【０００７】
また、このようなパワーアシスト装置を使ってワークを運搬すると、ロボットハンドに把持された移動中のワークをロボットハンドから開放した場合には、必要となるアシスト力がワークの質量分だけ急激に減少し、これとは逆にワークを掴んで持ち上げた場合には、必要となるアシスト力がワークの質量分だけ急激に増加する。そのため、当該ロボットハンドとともにワークを運搬する操作者に対しては、ロボットハンドが急に軽くなったり重くなったりするといった感覚を与えることから、操作感の悪さを印象づけ得るという問題がある。
【０００８】
さらに、このようにワークの質量も含めて可動部の質量を設定するものにおいては、ワークの質量を所定値に設定しても、異なる質量のワークを運搬等する必要が生じた場合には、当該質量の設定入力が再度必要となる。そのため、操作者等による入力操作等が煩雑になり作業効率の低下を招くという問題もある。
【０００９】
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。
【００１０】
【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操作者の操作状態を検出する操作状態検出手段と、前記操作者による前記物体の移動または姿勢変更を助けるアシスト力を発生させるアシスト力発生手段と、前記アシスト力を前記物体に与えるアシスト機構と、前記アシスト機構に係る所定の制御パラメータを推定する推定手段と、前記操作状態検出手段により検出された操作状態および前記推定手段により推定された所定の制御パラメータに基づいて、前記アシスト力発生手段に発生させるアシスト力を求める演算手段と、を備えることを技術的特徴とする。
【００１１】
請求項１の発明では、操作状態検出手段により移動または姿勢変更の対象となる物体を操作する操作者の操作状態を検出し、推定手段によりアシスト機構に係る所定の制御パラメータを推定する。そして、当該操作状態および当該所定の制御パラメータに基づいて演算手段により求められたアシスト力を、アシスト力発生手段によって発生させる。これにより、アシスト機構に係る所定の制御パラメータには、設計値や既定値を用いることなく、推定手段により適宜、推定されたものが用いられるので、例えば、パワーアシスト装置の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合や経年変化が生じた場合あるいは移動等の対象となる物体の質量が変化した場合においても、それぞれの変化に応じて所定の制御パラメータを推定して適切なアシスト力を発生させることができる。したがって、このようにパワーアシスト装置の周囲環境が変化した場合等であっても、操作感の悪さを操作者に与え難いので、操作感を向上することができる。また、運搬する都度、物体の質量が異なる場合があっても、物体の質量の変化に応じて所定の制御パラメータを推定するので、当該物体の質量の変化に関する制御パラメータを入力する操作等が不要になる。したがって、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００１２】
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、前記所定の制御パラメータは、少なくとも前記物体の質量を含むものであることを技術的特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明では、所定の制御パラメータは、少なくとも物体の質量を含むものであることから、特に、移動等の対象となる物体の質量が変化した場合に操作感を向上することができる。また、運搬する都度物体の質量が異なる場合にも当該物体の質量の変化に関する制御パラメータを入力する操作等が不要になるため、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００１４】
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、前記所定の制御パラメータは、前記アシスト機構を構成する可動部の粘性抵抗であることを技術的特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明では、所定の制御パラメータは、アシスト機構を構成する可動部の粘性抵抗であることから、特に、パワーアシスト装置の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合や経年変化が生じた場合に操作感を向上することができる。「可動部の粘性抵抗」とは、例えば、アシスト機構を構成する、軸部材とそれを受ける軸受部材との間やボールねじと雌ねじ管との間等に介在する潤滑剤等による粘性抵抗のことである。
【００１６】
さらにまた、請求項４のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記所定の制御パラメータは、前記アシスト機構を構成する可動部の摩擦抵抗であることを技術的特徴とする。
【００１７】
請求項４の発明では、所定の制御パラメータは、アシスト機構を構成する可動部の摩擦抵抗であることから、特に、パワーアシスト装置の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合、経年変化が生じた場合や可動部の位置により摩擦抵抗が変化する場合等に操作感を向上することができる。「可動部の摩擦抵抗」とは、例えば、アシスト機構を構成する、軸部材とそれを受ける軸受部材との間やボールねじと雌ねじ管との間あるいはガイドレールと移動輪との間に発生する摩擦抵抗のことである。
【００１８】
また、請求項５のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記所定の制御パラメータは、前記物体の位置であることを技術的特徴とする。
【００１９】
請求項５の発明では、所定の制御パラメータは、物体の位置であることから、例えば、位置センサにより物体の位置を検出した場合に含まれがちなノイズ成分の影響を受けることなく、当該位置を高精度に取得することができる。したがって、移動等の対象となる物体の高精度な位置制御を期待できるので、操作者の操作に忠実に物体を移動等させることができ、操作感を向上することができる。
【００２０】
さらに、請求項６のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記所定の制御パラメータは、前記物体の移動速度であることを技術的特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明では、所定の制御パラメータは、物体の移動速度であることから、例えば、速度センサにより物体の移動速度を検出した場合や位置センサにより物体の位置を検出した場合に含まれがちなノイズ成分の影響を受けることなく、当該移動速度を高精度に取得することができる。したがって、移動等の対象となる物体の高精度な位置制御を期待できるので、操作者の操作に忠実に物体を移動等させることができ、操作感を向上することができる。
【００２２】
さらにまた、請求項７のパワーアシスト装置では、請求項２において、少なくとも前記物体の質量を測定する質量測定手段を備えることを技術的特徴とする。
【００２３】
請求項７の発明では、少なくとも物体の質量を測定する質量測定手段を備えることから、物体の質量については推定手段により推定する必要がない。これにより、物体の質量の変化に対して、特にリアルタイムに追従しなければならない場合に操作感を向上することができる。また、運搬する都度物体の質量が異なる場合にも、当該物体の質量の変化に関する制御パラメータを入力する操作等が不要になるため、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００２４】
また、請求項８のパワーアシスト装置では、請求項１〜７のいずれか一項において、前記推定手段は、カルマンフィルタによるものであることを技術的特徴とする。
【００２５】
請求項８の発明では、推定手段は、カルマンフィルタによるものであることから、所定の制御パラメータとして、物体の質量・位置・移動速度、可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗を推定することができる。したがって、これら物体の質量・位置・移動速度、可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗の変化に応じた適切なアシスト力を発生させることができる。
【００２６】
さらに、請求項９のパワーアシスト装置では、請求項２〜４、７のいずれか一項において、前記推定手段は、逐次最小二乗法によるものであることを技術的特徴とする。
【００２７】
請求項９の発明では、推定手段は、逐次最小二乗法によるものであることから、所定の制御パラメータとして、物体の質量、可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗を推定することができる。したがって、物体の質量、可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗の変化に応じた適切なアシスト力を発生させることができる。
【００２８】
さらにまた、請求項１０のパワーアシスト装置では、請求項５または６において、前記推定手段は、オブザーバによるものであることを技術的特徴とする。
【００２９】
請求項１０の発明では、推定手段は、オブザーバによるものであることから、所定の制御パラメータとして、物体の位置・移動速度を推定することができる。したがって、物体の位置・移動速度の変化に応じた適切なアシスト力を発生させることができる。
【００３０】
【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２０の機械的な構成を説明する。
【００３１】
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によってワーク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。また、ワークＷは特許請求の範囲に記載の「物体」に相当するものであり、さらに、フレーム部、駆動部、移動部４０および操作部５０は、特許請求の範囲に記載の「アシスト機構」に相当するものである。
【００３２】
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本のガイドレール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。
【００３３】
なお、本実施形態において、ハリ２１ａ、２１ｂ間に架けられるガイドレール２２ａあるいはハリ２１ｃ、２１ｄ間に架けられるガイドレール２２ｃの長手方向をｘ方向、ハリ２１ｂ、２１ｃ間に架けられるガイドレール２２ｂあるいはハリ２１ａ、２１ｄ間に架けられるガイドレール２２ｄ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。
【００３４】
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、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、ギヤ３３、ベルト３４、移動輪３５、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。なお、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、特許請求の範囲に記載の「アシスト力発生手段」に相当するものである。また、ハリ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄおよびガイドレール２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄを除いたその他、シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ、ギヤ３３、ベルト３４、移動輪３５、ｘ方向ロッド３６ａ、ｙ方向ロッド３６ｂ、ｚ軸用ボールねじ３８等は、特許請求の範囲に記載の「可動部」に相当するものである。
【００３５】
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ＡＣサーボモータを用い、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。
【００３６】
なお、本実施形態では、ＡＣサーボ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。
【００３７】
シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは、ガイドレール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。
【００３８】
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。
【００３９】
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、ガイドレール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。
【００４０】
ｙ方向ロッド３６ｂも、ｘ方向ロッド３６ａと同様な構成を採っている。即ち、ｙ方向ロッド３６ｂ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、ガイドレール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３６ｂをｘ軸方向に移動させることができる。
【００４１】
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３１ｃ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。
【００４２】
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。なお、移動部４０も、特許請求の範囲に記載の「可動部」に相当するものである。
【００４３】
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ｘｙ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４３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。
【００４４】
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、ロードセル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。なお、操作部５０も、特許請求の範囲に記載の「可動部」に相当するものである。
【００４５】
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。
【００４６】
なお、操作ハンドル５２は、図２および図３に示すように操作者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状のもののほか、例えば、操作者Ｍが片手で操作可能なジョイスティックであっても良い。「ジョイスティック」とは、パーソナルコンピュータやビデオゲーム機等に用いられるポインティングデバイスの一種で、飛行機の操縦桿のような形状をした操作レバーのことである。
【００４７】
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。
【００４８】
ロードセル５５は、ハンド５７に把持された運搬中のワークＷの質量を測定するもので、例えば、重量計が用いられる。このロードセル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およびロードセル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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、ロードセル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、後述するカルマンフィルタ演算部６１ａやインピーダンス制御部６１ｂを実行するもので、主に、ＣＰＵ６１、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「推定手段および演算手段」に相当するものである。
【００５１】
ＣＰＵ６１は、中央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各種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、運搬中のワークＷの質量、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カルマンフィルタ演算部６１ａやインピーダンス制御部６１ｂを実現する処理プログラム等が格納されている。
【００５２】
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、３１ｂ、３１ｃに駆動電力を供給し得るものである。
【００５３】
次に、このような構成からなる制御装置６０により演算処理され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、本制御ブロックは、主に、カルマンフィルタ演算部６１ａとインピーダンス制御部６１ｂとにより構成されており、制御装置６０のＣＰＵ６１によって情報処理されるものである。
【００５４】
カルマンフィルタ演算部６１ａでは、後述する拡張カルマンフィルタのアルゴリズムに基づいて、ハンド５７の位置・移動速度、ワークＷの質量を含めた可動部の質量および当該可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗を推定する演算処理を行い、推定されたこれらの制御パラメータをインピーダンス制御部６１ｂに出力する処理を行う。そのため、このカルマンフィルタ演算部６１ａには、フォースセンサ５４により検出される操作者Ｍの操作状態（操作力）とインピーダンス制御部６１ｂで計算されモータ３１ａ等に発生させるべきアシスト力や回転角センサＥにより検出されるモータ３１ａ等のモータ回転角に基づくハンド５７の位置が入力され、また必要に応じてロードセル５５により検出されるワークＷの質量に関する情報が入力される。カルマンフィルタ演算部６１ａには、可動部の質量が予め記憶されており、カルマンフィルタ演算部６１ａはワークＷを含めた可動部の質量を推定する。なお、このカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定されたハンド５７の位置・移動速度、可動部の質量（ワークＷの質量を含む）および当該可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗は、特許請求の範囲に記載の「所定の制御パラメータ」に相当するものである。
【００５５】
インピーダンス制御部６１ｂでは、カルマンフィルタ演算部６１ａにより推定されたハンド５７の位置・移動速度、可動部の質量（ワークＷの質量を含む）および当該可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗を用いて、モータ３１ａ等に発生させるべきアシスト力ｆ_ａを求め、図略のアシストトルク決定演算部に出力する処理を行う。
【００５６】
即ち、このインピーダンス制御部６１ｂでは、フォースセンサ５４により検出された操作状態（操作力）とカルマンフィルタ演算部６１ａによるこれらの制御パラメータの推定値から、例えば、次式（１）に示すインピーダンス制御則に従ってアシスト力ｆ_ａを計算する。
【００５７】
【数１】

但し、ｆ_ａはアシスト力、ｆは操作力、ｍ_０は可動部の推定された質量（運搬中のワークＷの質量を含む）、ｃ_０は当該可動部の推定された粘性抵抗、Ｆは当該可動部の推定された摩擦抵抗、ｘｄｏｔはハンド５７の移動速度、ｍは仮想質量、ｃは仮想粘性抵抗、ｇは重力加速度を示す。
【００５８】
このようにして求められたアシスト力ｆ_ａは、図略のアシストトルク決定演算部（例えばアシストトルクマップ）に入力されることによってモータ３１ａ等に発生させるべきアシストトルク値が決定され、さらに当該アシストトルク値が図略のトルク指令演算部に入力されることよりモータ３１ａ等に一定のアシストトルクを発生させるトルク指令値が演算される。そしてこのトルク指令値がモータ駆動回路６５に出力されることでモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃが駆動されて目標のアシスト力が得られる。
【００５９】
ここで、カルマンフィルタ演算部６１ａにより演算される拡張カルマンフィルタのアルゴリズムの適用例について述べる。まず、パワーアシスト装置２０のｚ軸（ｚ軸用ボールねじ３８）の運動方程式は次式（２）により表される。
【００６０】
【数２】

但し、ｆ’（＝ｆ＋ｆ_ａ）は操作力ｆとアシスト力ｆ_ａとの合力、ｘｄｏｔｄｏｔはハンド５７の加速度を示す。
【００６１】
また、カルマンフィルタを構成する出力をハンド５７の位置とし、状態変数ベクトルＺ_ｔおよび出力ベクトルＹ_ｔを用いると、観測ノイズＷ_ｔまたはシステムノイズＶ_ｔを含めた離散時間のシステム方程式は次式（３）により、また同様に観測方程式は次式（４）により、それぞれ表すことができる。なお、ｔは離散時間系におけるサンプリングステップを意味する。
【００６２】
【数３】

【００６３】
ただし、
【数４】

Δｔはサンプリングタイムを表す。
【００６４】
これらのシステムを次式（６）〜式（１１）に示す拡張カルマンフィルタのアルゴリズムに適用することにより、ハンド５７の位置、移動速度、可動部の質量（ワークＷの質量を含む）、可動部の粘性抵抗、可動部の摩擦抵抗を示すベクトルＺを推定することができる。
【００６５】
【数５】

但し、Ｋ_ｔはカルマンゲイン、Ｐは推定誤差共分散行列、Ｑ_ｔは、システムノイズＶ_ｔの共分散行列、Ｒ_ｔは、観測ノイズＷ_ｔの共分散行列を示す。
【００６６】
このように拡張カルマンフィルタのアルゴリズムが適用されることによって、カルマンフィルタ演算部６１ａでは、ハンド５７の位置・移動速度、可動部の質量（ワークＷの質量を含む）および当該可動部の粘性抵抗・摩擦抵抗が推定される。
【００６７】
ここで、本願発明者らは、ハンド５７の位置・移動速度のみをカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定しながら操作ハンドル５２を操作した場合における当該ワークＷの質量変化による影響を実験により調べたので、その結果を図６を参照して説明する（以下、この実験を「実験Ｉ」という。）。なお、可動部の質量（当該ワークＷの質量を含む）は２９．５ｋｇ、可動部の粘性抵抗は２８０Ｎｓ／ｍ、可動部の摩擦抵抗は４５Ｎを用いた。またカルマンフィルタに関するパラメータとしてＱ_ｔ、Ｒ_ｔは次式（１２）の値を用いた。またワークＷの質量は７．５ｋｇに設定されている。さらに操作者Ｍによる操作ハンドル５２の操作方向はｚ軸方向のみである。
【００６８】
【数６】

【００６９】
またこの実験Ｉは推定値が位置と移動速度だけであるので、前掲の式（５）のＺ_ｔ、Ｆ（Ｚ_ｔ、ｔ）は次式（１３）に示すように表される。
【００７０】
【数７】

【００７１】
なお、図６（Ａ）〜図６（Ｄ）に示される特性図は、それぞれの横軸が時間（秒）に設定されている。また図６（Ａ）の縦軸はハンド５７のｚ軸方向の推定位置および実測位置を示し、図６（Ｂ）の縦軸は推定位置を微分演算して求めた推定速度および実測速度を示している。さらに図６（Ｃ）の縦軸は推定されたハンド５７の位置および移動速度に基づいてインピーダンス制御部６１ｂにより求められたアシスト力を示し、図６（Ｄ）の縦軸はフォースセンサ５４により検出された操作力を示している。本実験Ｉでは、２５秒付近でハンド５７からワークＷを離している。
【００７２】
図６（Ａ）に示すハンド５７の推定位置の特性から、２５秒付近において推定位置が緩やかな上昇を始めていることから、この時点でそれまで把持していたワークＷをハンド５７から離して解放したことを確認できる。即ち、図６（Ｃ）に示すように２５秒付近では、アシスト力が一定であるにもかかわらず、ハンド５７の位置が上昇しているということは、可動部の質量が軽くなったこと、つまりハンド５７からワークＷを解放したことを意味している。
【００７３】
また、図６（Ｂ）に示す推定速度の特性から、ハンド５７がワークＷを離す前までは実測速度（図６（Ｂ）中の実線）と推定速度（図６（Ｂ）中の破線）とが一致し、それ以降から４２秒付近までは両者は一致していないことがわかる。これは、実験Ｉでは可動部の質量（当該ワークＷの質量を含む）を２９．５ｋｇに固定していることから、ハンド５７からワークＷを解放した以降の実際の質量がワークＷの質量（７．５ｋｇ）分だけ減少したことにより、ハンド５７の移動速度ｘｄｏｔを正確に推定できていないことを意味している。
【００７４】
そのため、図６（Ｃ）に示すように、図６（Ｂ）に示す推定速度の変動に合わせたアシスト力ｆ_ａをモータ３１ｃに発生させている。即ち、カルマンフィルタ演算部６１ａ（前掲の式（５））により推定された操作ハンドル５２の移動速度に基づいてインピーダンス制御部６１ｂ（前掲の式（１））によってアシスト力ｆ_ａが算出されたため、図６（Ｃ）に示すような特性になっている。またインピーダンス制御部６１ｂにより算出されるアシスト力ｆ_ａには、操作力ｆの項も含まれるため（式（１）参照）、図６（Ｄ）に示す操作力ｆの影響も反映されていることがわかる。
【００７５】
このようにハンド５７で把持するワークＷの質量が変化する場合においては、当該ワークＷの質量を一定値に設定すると、ワークＷを含めた可動部の質量変化にアシスト力ｆ_ａの制御が追従できないため、操作者Ｍに操作の違和感を与える可能性があると考えられる。一方、ハンド５７で把持するワークＷの質量が変化しない場合、例えば、所定の工具等をハンド５７で把持したまま当該工具等により操作者Ｍが作業を行う場合等においては、当該ワークＷの質量を一定値に設定しても、操作者Ｍに操作の違和感を与え難いアシスト制御が可能であると考えられる。
【００７６】
次に、本願発明者らは、ハンド５７の位置・移動速度、質量、可動部の粘性抵抗、可動部の摩擦抵抗をカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定しながら操作ハンドル５２を操作した場合における当該ワークＷの質量変化による影響も実験により調べたので、その結果を図７を参照して説明する（以下、この実験を「実験ＩＩ」という。）。なお、カルマンフィルタに関するパラメータとしてＱ_ｔ、Ｒ_ｔは次式（１４）の値を用いた。また、ワークＷの質量および操作ハンドル５２の操作方向は実験Ｉと同様である。
【００７７】
【数８】

【００７８】
なお、図７（Ａ）〜図７（Ｇ）に示される特性図は、それぞれの横軸が時間（秒）に設定されている。図７（Ａ）〜図７（Ｄ）の縦軸は、実験Ｉによる図６（Ａ）〜図６（Ｄ）の縦軸と同様に設定されている。さらに図７（Ｅ）の縦軸はカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定された可動部の質量（当該ワークＷの質量を含む）を示し、同様に推定された可動部の粘性抵抗、可動部の摩擦抵抗をそれぞれ図７（Ｆ）、図７（Ｇ）の縦軸に設定している。本実験ＩＩでは、１５秒付近でハンド５７でワークＷを掴み、また３０秒付近でハンド５７からワークＷを離している。
【００７９】
図６を参照して説明した実験Ｉでは、ハンド５７の位置・移動速度のみをカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定したが、本実験ＩＩでは、可動部の質量（ワークＷの質量も含む）、可動部の粘性抵抗、可動部の摩擦抵抗も推定している。そのため、図７（Ｅ）示す可動部の推定質量の特性から、ハンド５７によりワークＷを掴んだ１５秒付近から、推定された質量が徐々に増加しやがてワークＷを含めた可動部の総重量である２９．５ｋｇに到達していることが同特性からわかる。また３０秒付近ではハンド５７からワークＷが解放されたことにより、推定された質量が緩やかに減少している。これにより、質量変化に対するその増減をカルマンフィルタ演算部６１ａによって推定できていることを確認することができる。
【００８０】
また、図７（Ｂ）に示す推定速度の特性から、１５秒付近および３０秒付近における可動部の質量変化の直後では、ハンド５７の実測速度（図７（Ｂ）中の実線）とその推定速度（図７（Ｂ）中の破線）との間に多少のずれが確認されるが、時間経過に伴い推定の確度が向上し両者が一致していることも、同特性から確認することができる。
【００８１】
さらに、図７（Ａ）に示すハンド５７の推定位置の特性から、３０秒付近においては可動部の質量が変化し、操作力が加わっていない（ｆ＝０）場合でも（図７（Ｄ）参照）、その後、ハンド５７の位置は±０．１ｍ程度の変化に抑えられていることを確認できる。これは、実験ＩではワークＷを解放した直後から０．５ｍ程度上昇したことに比べて（図６（Ａ）参照）、可動部の質量も推定している実験ＩＩではこれを大幅に改善していることがわかる。
【００８２】
なお、図７（Ｅ）に示す推定された可動部の粘性抵抗の特性は、例えば、パワーアシスト装置２０を構成する、シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄとこのシャフト３２ａ等を回動自在に支持する軸受部材等との間やｚ軸用ボールねじ３８と雌ねじ管４３との間等に介在するグリス等の潤滑剤あるいはテフロン（登録商標）やフッ素系樹脂等の摺動緩衝部材等による可動部の粘性抵抗をカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定したものである。
【００８３】
また、図７（Ｇ）に示す推定された可動部の摩擦抵抗の特性は、例えば、パワーアシスト装置２０を構成する、シャフト３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄとこのシャフト３２ａ等を回動自在に支持する軸受部材等との間やｚ軸用ボールねじ３８と雌ねじ管４３との間、あるいはガイドレール２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄと移動輪３５との間等、に発生する可動部の摩擦抵抗をカルマンフィルタ演算部６１ａにより推定したものである。
【００８４】
このようにハンド５７で把持するワークＷの質量が変化する場合においては、可動部の質量（ワークＷも含む）を推定することによって、ワークＷを含めた可動部の質量が変化してもそれに応じたアシスト力ｆ_ａの制御が可能であるため、操作者Ｍに操作の違和感を与え難く、操作感を向上することができる。
【００８５】
また、ロードセル５５により検出されるワークＷの質量に関する情報をカルマンフィルタ演算部６１ａに入力することによって、当該ワークＷを含めた可動部の質量についてはカルマンフィルタ演算部６１ａで推定するのに要する時間が短縮される。これにより、可動部の質量の変化に対して、リアルタイムに追従することが可能となるので、より一層操作感を向上することができる。また運搬する都度可動部の質量が異なる場合にも、当該可動部の質量の変化に関する制御パラメータを入力する操作等が不要になるため、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００８６】
以上説明したように、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０によると、フォースセンサ５４によりワークＷを操作する操作者Ｍの操作力ｆを検出し、カルマンフィルタ演算部６１ａ（式（５））によりフレーム部、駆動部、移動部４０および操作部５０に係る所定の制御パラメータとしての、ハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ、可動部の質量ｍ_０（ワークＷの質量を含む）、可動部の粘性抵抗ｃ_０、可動部の摩擦抵抗Ｆを推定する。そして、操作力ｆ、ハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ、可動部の質量ｍ_０、可動部の粘性抵抗ｃ_０および可動部の摩擦抵抗Ｆに基づいてインピーダンス制御部６１ｂ（式（１））により求められたアシスト力ｆ_ａを、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃによって発生させる。
【００８７】
これにより、フレーム部、駆動部、移動部４０および操作部５０に係るハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ、可動部の質量ｍ_０、可動部の粘性抵抗ｃ_０および可動部の摩擦抵抗Ｆには、設計値や既定値を用いることなく、カルマンフィルタ演算部６１ａにより適宜、推定されたものが用いられるので、例えば、パワーアシスト装置２０の周囲環境（例えば温度や湿度等）が変化した場合や経年変化が生じた場合あるいはワークＷの質量が変化した場合においても、それぞれの変化に応じてハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ、可動部の質量ｍ_０、可動部の粘性抵抗ｃ_０および可動部の摩擦抵抗Ｆを推定して適切なアシスト力を発生させることができる。したがって、このようにパワーアシスト装置２０の周囲環境が変化した場合等であっても、操作感の悪さを操作者に与え難いので、操作感を向上することができる。また、運搬する都度、ワークＷの質量が異なる場合があっても、ワークＷの質量の変化に応じてハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔ、可動部の質量ｍ_０、可動部の粘性抵抗ｃ_０および可動部の摩擦抵抗Ｆを推定するので、ワークＷの質量の変化に関する可動部の質量ｍ_０等を入力する操作等が不要になる。したがって、入力操作等の必要から生じ得る作業効率の低下を防止することができる。
【００８８】
また、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃにそれぞれ設けられて個々のモータ回転角を検出可能な回転角センサＥによってハンド５７の位置ｘを検出するとともに、カルマンフィルタ演算部６１ａによってもハンド５７の位置ｘを推定している。これにより、回転角センサＥによる検出情報に含まれがちなノイズ成分の影響を受けることなく、ハンド５７の位置を高精度に取得することができる。したがって、ワークＷの高精度な位置制御を期待できるので、操作者Ｍの操作に忠実にワークＷを移動等させることができ、さらに操作感を向上することができる。
【００８９】
さらに、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、前述の回転角センサＥによって検出したハンド５７の位置ｘを微分演算することなく、カルマンフィルタ演算部６１ａによりハンド５７の速度ｘｄｏｔを推定している。これにより、回転角センサＥによる検出情報に含まれがちなノイズ成分の影響を受けることなく、ハンド５７の移動速度を高精度に取得することができる。したがって、ワークＷの高精度な位置制御を期待できるので、操作者Ｍの操作に忠実にワークＷを移動等させることができ、さらに操作感を向上することができる。
【００９０】
なお、上述した実施形態では、アシスト機構に係る所定の制御パラメータを推定する推定手段として、制御装置６０のＣＰＵ６１により情報処理されるカルマンフィルタ演算部６１ａを例示して説明したが、推定手段はこれに限られることはなく、例えば、逐次最小二乗法やオブザーバによるものであっても良い。
【００９１】
例えば逐次最小二乗法による推定手段として、次に説明するものが挙げられる。パワーアシスト装置２０のｚ軸（ｚ軸用ボールねじ３８）の運動方程式を次式（１５）のようにおく。そして、次式（１６）の線形回帰モデルに変換する。
【００９２】
【数９】

ここで、ｘ_ｔはｘをサンプリングしたものであり、ｔはサンプリングステップを表す。
【００９３】
【数１０】

である。
【００９４】
このとき、θは次の式（１９）により求めることができる。
【００９５】
【数１１】

【００９６】
θの推定値が求まれば上式（１８）により、所定の制御パラメータとして、可動部の質量ｍ_０（ワークＷの質量を含む）、可動部の粘性抵抗ｃ_０および可動部の摩擦抵抗Ｆを推定することができる。したがって、これらの制御パラメータの変化に応じた適切なアシスト力をモータ３１ａ等に発生させることができる。
【００９７】
また、例えばオブザーバによる推定手段として、次に説明するものが挙げられる。パワーアシスト装置２０のｚ軸（ｚ軸用ボールねじ３８）の運動方程式を前掲の式（１５）のようにおくと、離散時間の状態方程式は次式（２０）となり、また出力方程式は次式（２１）ととなる。
【００９８】
【数１２】

【００９９】
ここで、
【数１３】

である。
【０１００】
【数１４】

この式（２３）により求めることができる。ここで、Ｋは定数行列である。
【０１０１】
これにより、所定の制御パラメータとして、ハンド５７の位置ｘ、移動速度ｘｄｏｔを推定することができるので、これらの制御パラメータの変化に応じた適切なアシスト力をモータ３１ａ等に発生させることができる。
【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ほぼ側方から見たものである。
【図３】本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下方から見たものである。
【図４】本実施形態に係る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】本実施形態に係る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】本実施形態に係るパワーアシスト装置において、ワークを掴むハンドの位置・移動速度のみをカルマンフィルタにより推定しながら操作した場合に得られた各種特性を示す特性図で、図６（Ａ）のハンドの推定位置および実測位置を示し、図６（Ｂ）は推定速度および実測速度を示し、図６（Ｃ）は推定されたハンドの位置および移動速度に基づいて求められたアシスト力を示し、図６（Ｄ）はフォースセンサにより検出された操作力を示す。
【図７】本実施形態に係るパワーアシスト装置において、ワークＷを掴むハンドの位置・移動速度、ワークＷを含めた可動部の質量・粘性係数・摩擦係数をカルマンフィルタにより推定しながら操作した場合に得られた各種特性を示す特性図で、図７（Ａ）のハンドの推定位置および実測位置を示し、図７（Ｂ）は推定速度および実測速度を示し、図７（Ｃ）は推定されたハンドの位置および移動速度に基づいて求められたアシスト力を示し、図７（Ｄ）はフォースセンサにより検出された操作力を示し、図７（Ｅ）は推定された可動部の質量を示し、図７（Ｆ）は推定された可動部の粘性抵抗を示し、図７（Ｇ）は推定された可動部の摩擦抵抗を示す。
【符号の説明】
２０パワーアシスト装置
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄハリ（アシスト機構）
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄガイドレール（アシスト機構）
３１ａ、３１ｂ、３１ｃモータ（アシスト力発生手段）
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄシャフト（アシスト機構、可動部）
３３ギヤ（アシスト機構、可動部）
３４ベルト（アシスト機構、可動部）
３５移動輪（アシスト機構、可動部）
３６ａｘ方向ロッド（アシスト機構、可動部）
３６ｂｙ方向ロッド（アシスト機構、可動部）
３８ｚ軸用ボールねじ（アシスト機構、可動部）
４０移動部（アシスト機構、可動部）
４２ａ、４２ｂ軸受（アシスト機構、可動部）
４３雌ねじ管（アシスト機構、可動部）
５０操作部（アシスト機構、可動部）
５４フォースセンサ（操作状態検出手段）
５５ロードセル（質量測定手段）
６０制御装置（推定手段、演算手段）
６１ＣＰＵ（推定手段、演算手段）
６１ａカルマンフィルタ演算部（推定手段）
６１ｂインピーダンス制御部（演算手段）
Ｗワーク（物体）
Ｍ操作者[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a power assist device that generates an assist force based on an operation force of an operator who operates an object to be moved or changed in posture, and assists the operator.
[0002]
[Prior art]
As a power assist device that generates an assist force based on an operation force of an operator who operates an object (hereinafter, referred to as “work”) to be moved or changed in posture and assists the operator, for example, the present inventors have (Japanese Patent Application No. 2002-058288 and Non-Patent Document 1).
[0003]
In this power assist device, the optimal variable damping control is used to determine the required assist force using the viscosity coefficient controlled according to the impedance change of the arm of the operator, and the assist force assists the operator. are doing. As a result, it is possible to control the assist force according to the change in the rigidity of the arm of the operator, so that the operational feeling given to the operator can be further improved.
[0004]
In such a conventional power assist device, a motion equation using a mass, a viscosity coefficient, and a friction coefficient of a movable portion (hereinafter referred to as a “movable portion”) of a device such as a robot hand to be controlled is modeled. By controlling the assisting force, it is possible to generate an appropriate assisting force in accordance with the mass, viscosity coefficient, and friction coefficient of the movable portion. Such a predetermined control parameter includes a predetermined given value. A value (for example, a design value or a default value within a predetermined range) is used.
[0005]
[Non-patent document 1]
Hayashi, Ikeura, Nakamura, and 2 others, Proc. Of the 51st Annual Meeting of the Japan Society of Mechanical Engineers, Tokai Branch, 2002, p. 127-128
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in general, such as a power assist device, a facility device having a movable portion, when the surrounding environment (for example, temperature or humidity) of the device changes, or when aging occurs, the accompanying It is considered that control parameters such as a viscosity coefficient and a friction coefficient of the movable portion can be changed. Therefore, in such a case, if a preset design value or predetermined value is used for these control parameters, there is a problem that it is difficult to generate an appropriate assist force.
[0007]
In addition, when a workpiece is transported using such a power assist device, when the moving workpiece held by the robot hand is released from the robot hand, the required assist force decreases rapidly by the mass of the workpiece. Conversely, when the work is gripped and lifted, the required assist force increases rapidly by the mass of the work. Therefore, the operator who carries the work together with the robot hand is given a sense that the robot hand suddenly becomes lighter or heavier, and thus there is a problem that the user may be impressed with poor operation feeling.
[0008]
Further, in the case of setting the mass of the movable part including the mass of the work in this way, even if the mass of the work is set to a predetermined value, when it becomes necessary to transport a work of a different mass, etc., The setting input of the mass is required again. For this reason, there is a problem that the input operation or the like by the operator or the like becomes complicated and the work efficiency is reduced.
[0009]
The present invention has been made to solve the above-described problem, and an object of the present invention is to provide a power assist device capable of improving an operational feeling.
[0010]
Means for Solving the Problems and Actions and Effects of the Invention
In order to achieve the above object, the power assist device according to claim 1, wherein operation state detection means for detecting an operation state of an operator operating an object to be moved or changed in posture, and movement of the object by the operator Or an assist force generating means for generating an assist force for assisting a posture change, an assist mechanism for applying the assist force to the object, an estimating means for estimating a predetermined control parameter related to the assist mechanism, and the operation state detecting means. A technical means for calculating an assist force to be generated by the assist force generating means based on the detected operation state and a predetermined control parameter estimated by the estimating means.
[0011]
According to the first aspect of the present invention, the operation state of the operator who operates the object to be moved or changed in posture is detected by the operation state detection means, and the predetermined control parameters relating to the assist mechanism are estimated by the estimation means. Then, the assist force generated by the calculating means based on the operation state and the predetermined control parameter is generated by the assist force generating means. As a result, as the predetermined control parameters related to the assist mechanism, those that are appropriately estimated by the estimating means without using the design values or the default values are used. For example, the surrounding environment (for example, the temperature or the like) of the power assist device is used. Humidity), changes over time, or changes in the mass of an object to be moved, etc., a predetermined control parameter is estimated in accordance with each change to provide an appropriate assist force. Can be generated. Therefore, even when the surrounding environment of the power assist device changes in this way, it is difficult to give the operator a poor operation feeling, and the operation feeling can be improved. In addition, even if the mass of an object may be different each time it is transported, a predetermined control parameter is estimated according to the change in the mass of the object, so that there is no need to input control parameters relating to the change in the mass of the object. become. Therefore, it is possible to prevent a decrease in work efficiency that may be caused by a need for an input operation or the like.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a power assist device according to the first aspect, wherein the predetermined control parameter includes at least a mass of the object.
[0013]
According to the second aspect of the present invention, since the predetermined control parameter includes at least the mass of the object, the operational feeling can be improved particularly when the mass of the object to be moved or the like changes. In addition, even when the mass of the object is different each time the object is transported, an operation of inputting a control parameter relating to a change in the mass of the object is not required. it can.
[0014]
Furthermore, in the power assist device according to a third aspect, in the first aspect, the predetermined control parameter is technically characterized in that the predetermined control parameter is a viscous resistance of a movable portion included in the assist mechanism.
[0015]
According to the third aspect of the present invention, since the predetermined control parameter is the viscous resistance of the movable part constituting the assist mechanism, the predetermined control parameter is particularly useful when the surrounding environment (for example, temperature, humidity, etc.) of the power assist device changes or aging. The operation feeling can be improved in the case where the error occurs. "Viscous resistance of the movable part" refers to, for example, the viscous resistance of a lubricant or the like that exists between a shaft member and a bearing member receiving the shaft member or between a ball screw and a female screw pipe, which constitutes an assist mechanism. It is.
[0016]
Furthermore, in the power assist device according to a fourth aspect, in the first aspect, the predetermined control parameter is a technical feature that the predetermined control parameter is a frictional resistance of a movable portion included in the assist mechanism.
[0017]
According to the fourth aspect of the present invention, the predetermined control parameter is the frictional resistance of the movable part constituting the assist mechanism. Therefore, particularly when the surrounding environment (for example, temperature, humidity, etc.) of the power assist device changes, it changes over time. The operation feeling can be improved when the frictional resistance changes depending on the position of the movable part or the like. The “frictional resistance of the movable portion” is, for example, generated between a shaft member and a bearing member receiving the shaft member, between a ball screw and a female screw tube, or between a guide rail and a moving wheel, which constitute an assist mechanism. It refers to frictional resistance.
[0018]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a power assist device according to the first aspect, wherein the predetermined control parameter is a position of the object.
[0019]
In the invention of claim 5, since the predetermined control parameter is the position of the object, for example, the position is determined without being affected by a noise component which is likely to be included when the position of the object is detected by the position sensor. It can be obtained with high accuracy. Therefore, high-precision position control of an object to be moved or the like can be expected, and the object can be moved or the like faithfully to the operation of the operator, and the operational feeling can be improved.
[0020]
Further, in the power assist apparatus according to claim 6, in claim 1, the technical feature is that the predetermined control parameter is a moving speed of the object.
[0021]
According to the sixth aspect of the present invention, the predetermined control parameter is a moving speed of the object, and thus includes, for example, a case where the moving speed of the object is detected by the speed sensor or a case where the position of the object is detected by the position sensor. The moving speed can be acquired with high accuracy without being affected by noise components. Therefore, high-precision position control of an object to be moved or the like can be expected, and the object can be moved or the like faithfully to the operation of the operator, and the operational feeling can be improved.
[0022]
Furthermore, the power assist device according to claim 7 is characterized in that, in claim 2, a mass measuring unit that measures at least the mass of the object is provided.
[0023]
According to the seventh aspect of the present invention, since there is provided a mass measuring unit for measuring at least the mass of the object, there is no need to estimate the mass of the object by the estimating unit. Thus, the operational feeling can be improved particularly when it is necessary to follow the change in the mass of the object in real time. In addition, even when the mass of an object is different each time it is transported, an operation or the like of inputting a control parameter relating to a change in the mass of the object is not required. Can be.
[0024]
According to a eighth aspect of the present invention, there is provided a power assist device as defined in any one of the first to seventh aspects, wherein the estimating means is based on a Kalman filter.
[0025]
In the invention of claim 8, since the estimating means is based on the Kalman filter, it is possible to estimate the mass / position / movement speed of the object and the viscous resistance / frictional resistance of the movable part as the predetermined control parameters. Therefore, it is possible to generate an appropriate assisting force according to changes in the mass, position, moving speed, and viscous resistance / frictional resistance of the movable part.
[0026]
According to a ninth aspect of the present invention, in any one of the second to fourth and seventh aspects, the technical feature is that the estimation means is based on a recursive least squares method.
[0027]
According to the ninth aspect of the present invention, since the estimating means is based on the sequential least squares method, it is possible to estimate the mass of the object and the viscous resistance / frictional resistance of the movable portion as the predetermined control parameters. Therefore, it is possible to generate an appropriate assisting force according to changes in the mass of the object and the viscous resistance / frictional resistance of the movable part.
[0028]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a power assist device according to the fifth or sixth aspect, wherein the estimating means is based on an observer.
[0029]
According to the tenth aspect of the present invention, since the estimating means is based on the observer, the position and the moving speed of the object can be estimated as the predetermined control parameters. Therefore, it is possible to generate an appropriate assist force according to the change in the position / movement speed of the object.
[0030]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the power assist device of the present invention will be described with reference to the drawings.
First, a mechanical configuration of the power assist device 20 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
[0031]
The power assist device 20 mainly includes a frame unit, a driving unit, a moving unit 40, an operation unit 50, and a control device 60, and is provided by the operator M who operates the work W to be moved or changed in posture. It has a function of generating an assist force based on the operation force and assisting the operator M. In FIG. 1, the operator M holds the work W with the hand 57 provided on the operation unit 50 and moves the work W from the work table Ta to the work table Tb by the power assist device 20. Is shown. The work W corresponds to an “object” described in the claims, and the frame unit, the driving unit, the moving unit 40, and the operation unit 50 include an “assist mechanism” described in the claims. Is equivalent to
[0032]
As shown in FIG. 1, the frame part constitutes a frame of the power assist device 20, and includes four

tension members

21 a, 21 b, 21 c, and 21 d standing upright in a direction substantially perpendicular to the ground surface G, and a ground. A gate-shaped frame is formed by four

guide rails

22a, 22b, 22c, 22d which are hung on the

tension members

21a, 21b, 21c, 21d in the horizontal direction with respect to the surface G, and are connected to each other.
[0033]
In the present embodiment, the longitudinal direction of the guide rail 22a or the guide rail 22c between the

tension members

21a and 21b is set in the x direction, and the guide rail 22b or the tension between the

tension members

21b and 21c. The longitudinal direction of the guide rail 22d bridged between 21a and 21d is defined as the y direction. The direction perpendicular to the ground plane G is defined as the z direction.
[0034]
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the driving unit includes

motors

31a, 31b, 31c,

shafts

32a, 32b, 32c, 32d, gear 33, belt 34, moving wheel 35, x-direction rod 36a, y-direction rod 36b, It is composed of a z-axis ball screw 38 and the like. The

motors

31a, 31b, 31c correspond to "assisting force generating means" described in the claims. In addition, except for the

tensioners

21a, 21b, 21c, 21d and the

guide rails

22a, 22b, 22c, 22d, the

shafts

32a, 32b, 32c, 32d, the gear 33, the belt 34, the moving wheel 35, the x-direction rods 36a, y The directional rod 36b, the z-axis ball screw 38, and the like correspond to the "movable part" described in the claims.
[0035]
The

motors

31a, 31b, and 31c are servo motors that generate an assist force determined by the control device 60 described later, and are controlled by the control device 60. In the present embodiment, for example, an AC servomotor is used, and the motor 31a is configured to be able to drive the x-direction rod 36a, the motor 31b is capable of driving the y-direction rod 36b, and the motor 31c is capable of driving the female screw tube 43, respectively.
[0036]
In this embodiment, an AC servomotor is used. However, the present invention is not limited to this, and any type of servomotor may be used. Each of the

motors

31a, 31b, 31c is provided with a rotation angle sensor (encoder) E for detecting the rotation angle of the motor, and the detection data is output to a control device 60 described later.
[0037]
The

shafts

32a, 32b, 32c, and 32d are shaft members provided side by side along the

guide rails

22a, 22b, 22c, and 22d. Gears 33 are attached to both ends of the shaft members. It is rotatably supported by a member. In addition, a motor 31a is connected to one end of the shaft 32c, and a motor 31b is similarly connected to one end of the shaft 32d. Thus, the shaft 32c can be rotated by the driving force of the motor 31a, and the shaft 32d can be rotated by the driving force of the motor 31b.
[0038]
The belt 34 is a belt-shaped annular member configured to be bridged between the gears 33, and is bridged between the gears 33 of the

shafts

32a and 32c or the gears 33 of the

shafts

32b and 32d positioned in parallel. Have been. Thus, when the shaft 32c is rotated by the driving force of the motor 31a, the shaft 32a can be rotated via the belt 34. Similarly, the shaft 32b and the shaft 32d can be rotated by the driving force of the motor 31b.
[0039]
The x-direction rod 36a is a shaft member capable of guiding a central base 41, which will be described later, in the x-axis direction. A moving wheel 35 that can roll on the guide rails 22b and 22d is attached to both ends. The two ends are rotatably supported by bearing members. Since the aforementioned belt 34 is connected to this bearing member, the driving torque output from the motor 31a for moving the x-direction rod is transmitted to the x-direction rod 36a via the gear 33, the shaft 32c and the belt 34. Is done. Thereby, the x-direction rod 36a can be moved in the y-axis direction by the driving torque transmitted by the belt 34.
[0040]
The y-direction rod 36b has the same configuration as the x-direction rod 36a. That is, the y-direction rod 36b is a shaft member capable of guiding the central base 41 in the y-axis direction, and a moving wheel 35 that can roll on the

guide rails

22a and 22c is attached to both ends thereof. Is rotatably supported by a bearing member. Since the belt 34 is also connected to this bearing member, the driving torque output from the y-direction rod moving motor 31b is transmitted to the y-direction rod 36b via the gear 33, the shaft 32d and the belt 34. Thus, the y-direction rod 36b can be moved in the x-axis direction by the driving torque transmitted by the belt 34.
[0041]
As shown in FIGS. 2 and 3, the z-axis ball screw 38 is a screw rod, and constitutes a screw feed mechanism together with a female screw pipe 43 provided substantially at the center of the central base 41 so as to penetrate in the vertical direction. I have. In the present embodiment, since the center base 41 does not move in the z-axis direction, the female screw tube 43 is rotated clockwise or counterclockwise by the driving force of the motor 31c, so that the z-axis moves up and down in the axis (z-axis) direction. The shaft ball screw 38 can be moved.
[0042]
The moving unit 40 mainly includes a central base 41. A bearing 42a capable of bearing the above-described x-direction rod 36a and a bearing 42b capable of bearing the y-direction rod 36b are attached to a lower surface of the central base 41, and a vertical (z-axis) The female screw tube 43 penetrating in the direction ()) is rotatably supported. The moving unit 40 also corresponds to the “movable unit” described in the claims.
[0043]
Thereby, the central base 41 can be freely moved on the xy plane with the movement of the x-direction rod 36a and the y-direction rod 36b, so that the movement amount of the x-direction rod 36a and the movement amount of the y-direction rod 36b Is controlled by the rotation angle of the motor 31a and the rotation angle of the motor 31b, so that the control points in the xy coordinate system can be determined. Further, as described above, the z-axis ball screw 38 can be moved up and down in the z-axis direction with the rotation of the female screw tube 43 constituting the screw feed mechanism together with the z-axis ball screw 38. The control point of the z coordinate system can be determined by controlling the amount of movement of the ball screw 38 in the z-axis direction by the rotation angle of the motor 31c.
[0044]
As shown in FIGS. 2 and 3, the operation unit 50 mainly includes an operation handle 52, a force sensor 54, a load cell 55, a hand 57, and the like, and is provided at a lower end of the z-axis ball screw 38. ing. The operation unit 50 also corresponds to a “movable unit” described in the claims.
[0045]
The operation handle 52 is a rod-shaped member formed so that the operator M can hold it with both hands, and protrudes from both sides in the radial direction of the z-axis ball screw 38. In the vicinity of the operation handle 52, operation switches such as an unillustrated emergency stop button are arranged, and an unillustrated small camera or the like is mounted. Thereby, the distance from the operation unit 50 to the operator M can be measured at any time.
[0046]
The operation handle 52 is a rod-shaped member formed so that the operator M can hold it with both hands as shown in FIGS. 2 and 3, for example, a joystick that the operator M can operate with one hand. It may be. The “joystick” is a kind of pointing device used for a personal computer, a video game machine, and the like, and is an operation lever shaped like a control stick of an airplane.
[0047]
The force sensor 54 detects an operation state of the operator M. For example, the force sensor 54 has six axes (x axis, y axis, z axis) capable of detecting the magnitude and direction of the operation force applied to the operation handle 52. A force sensor using an axis, and respective rotation axes a-axis, b-axis, and c-axis of x-axis, y-axis, and z-axis) is used. In the present embodiment, it is sufficient to understand the x-axis, the y-axis, and the z-axis among the six axes. The force sensor 54 corresponds to an “operation state detecting unit” described in the claims.
[0048]
The load cell 55 measures the mass of the workpiece W being transported and held by the hand 57, and for example, a weigh scale is used. The load cell 55 corresponds to a “mass measuring unit” described in the claims. The detection / measurement data detected or measured by the force sensor 47 and the load cell 55 is output to the control device 60 via a wireless line or a wired line.
[0049]
The hand 57 has a function of gripping the workpiece W, and is configured to be able to grip and release the workpiece W by opening and closing two opposing claws with an air cylinder or the like.
[0050]
As shown in FIG. 4, the control device 60 executes a Kalman filter calculation unit 61a and an impedance control unit 61b, which will be described later, based on various data transmitted from the above-described force sensor 54, load cell 55, rotation angle sensor E, and the like. It mainly includes a CPU 61, an interface (I / F) 63, a motor drive circuit 65, and the like. The control device 60 corresponds to “estimating means and calculating means” described in the claims.
[0051]
The CPU 61 is a central processing unit, and is configured to execute various arithmetic processes based on a predetermined program together with memories such as a ROM and a RAM (not shown). In the present embodiment, a current command value to be sent to the motor drive circuit 65 is determined based on the operating force and direction input via the interface 63, the mass of the workpiece W being transported, and the rotation angle of the motor 31a. A process of determining and outputting to the motor drive circuit 65 is performed. A memory such as a ROM or a RAM (not shown) stores a control program for controlling the power assist device 20, a processing program for implementing a Kalman filter operation unit 61a and an impedance control unit 61b, which will be described later, and the like.
[0052]
The interface 63 is interposed between the CPU 61 and a sensor group such as the force sensor 54, and can perform A / D conversion, signal level adjustment, and the like.
The motor drive circuit 65 includes a battery, a PWM converter, a switching circuit, and the like (not shown), and can supply drive power to the

motors

31a, 31b, and 31c by making the drive current a sine wave by chopper control. .
[0053]
Next, the configuration of a control block that is arithmetically processed by the control device 60 having such a configuration will be described with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, the control block mainly includes a Kalman filter operation unit 61a and an impedance control unit 61b, and is processed by the CPU 61 of the control device 60.
[0054]
The Kalman filter calculation unit 61a calculates the position / movement speed of the hand 57, the mass of the movable unit including the mass of the work W, and the viscous resistance / frictional resistance of the movable unit based on the algorithm of the extended Kalman filter described later. Is performed to output the estimated control parameters to the impedance control unit 61b. Therefore, the Kalman filter calculation unit 61a includes an operation state (operating force) of the operator M detected by the force sensor 54 and an assist force and a rotation angle sensor E calculated by the impedance control unit 61b and generated by the motor 31a and the like. The position of the hand 57 based on the detected motor rotation angle of the motor 31a or the like is input, and information on the mass of the work W detected by the load cell 55 is input as necessary. The mass of the movable part is stored in advance in the Kalman filter operation part 61a, and the Kalman filter operation part 61a estimates the mass of the movable part including the work W. The position / movement speed of the hand 57, the mass of the movable portion (including the mass of the work W), and the viscous resistance / frictional resistance of the movable portion estimated by the Kalman filter calculation section 61a are described in the claims. This corresponds to a “predetermined control parameter”.
[0055]
The impedance control unit 61b uses the position / movement speed of the hand 57 estimated by the Kalman filter calculation unit 61a, the mass of the movable unit (including the mass of the work W), and the viscous resistance / frictional resistance of the movable unit to obtain the motor 31a. Assist force f to be generated _a Is calculated and output to an assist torque determination calculation unit (not shown).
[0056]
In other words, the impedance control unit 61b uses the operation state (operation force) detected by the force sensor 54 and the estimated values of these control parameters by the Kalman filter calculation unit 61a, for example, according to the impedance control law shown in the following equation (1). Assist force f _a Is calculated.
[0057]
(Equation 1)

Where f _a Is the assist force, f is the operation force, m ₀ Is the estimated mass of the movable part (including the mass of the workpiece W being transported), c ₀ Is the estimated viscous resistance of the movable part, F is the estimated frictional resistance of the movable part, xdot is the moving speed of the hand 57, m is the virtual mass, c is the virtual viscous resistance, and g is the gravitational acceleration.
[0058]
The assist force f obtained in this manner _a Is input to an unillustrated assist torque determination calculation unit (for example, an assist torque map) to determine an assist torque value to be generated by the motor 31a or the like, and the assist torque value is further transmitted to an unillustrated torque command calculation unit. A torque command value for generating a constant assist torque for the motor 31a or the like is calculated from the input. Then, the torque command value is output to the motor drive circuit 65, so that the

motors

31a, 31b, 31c are driven, and the target assist force is obtained.
[0059]
Here, an application example of the algorithm of the extended Kalman filter calculated by the Kalman filter calculation unit 61a will be described. First, the equation of motion of the z-axis (z-axis ball screw 38) of the power assist device 20 is expressed by the following equation (2).
[0060]
(Equation 2)

However, f ′ (= f + f _a ) Indicates operating force f and assist force f _a Xdotdot indicates the acceleration of the hand 57.
[0061]
The output constituting the Kalman filter is defined as the position of the hand 57, and the state variable vector Z _t And the output vector Y _t , The observation noise W _t Or system noise V _t Can be expressed by the following equation (3), and similarly, the observation equation can be expressed by the following equation (4). Note that t means a sampling step in a discrete time system.
[0062]
[Equation 3]

[0063]
However,
(Equation 4)

Δt represents a sampling time.
[0064]
By applying these systems to the algorithm of the extended Kalman filter shown in the following formulas (6) to (11), the position of the hand 57, the moving speed, the mass of the movable portion (including the mass of the work W), and the A vector Z indicating the viscous resistance and the frictional resistance of the movable part can be estimated.
[0065]
(Equation 5)

Where K _t Is the Kalman gain, P is the estimation error covariance matrix, Q _t Is the system noise V _t The covariance matrix of R _t Is the observation noise W _t Shows the covariance matrix of
[0066]
By applying the algorithm of the extended Kalman filter as described above, the Kalman filter operation unit 61a allows the position / movement speed of the hand 57, the mass of the movable unit (including the mass of the work W), and the viscous resistance / frictional resistance of the movable unit. Is estimated.
[0067]
Here, the inventors of the present application examined by experiment the effect of a change in the mass of the work W when the operating handle 52 was operated while estimating only the position and the moving speed of the hand 57 by the Kalman filter calculating unit 61a. The results will be described with reference to FIG. 6 (hereinafter, this experiment is referred to as “Experiment I”). The mass of the movable portion (including the mass of the work W) was 29.5 kg, the viscous resistance of the movable portion was 280 Ns / m 2, and the frictional resistance of the movable portion was 45 N. Also, Q as a parameter related to the Kalman filter _t , R _t Used the value of the following equation (12). The mass of the work W is set to 7.5 kg. Further, the operation direction of the operation handle 52 by the operator M is only the z-axis direction.
[0068]
(Equation 6)

[0069]
In this experiment I, since the estimated value is only the position and the moving speed, Z _t , F (Z _t , T) is expressed as shown in the following equation (13).
[0070]
(Equation 7)

[0071]
In the characteristic diagrams shown in FIGS. 6A to 6D, the horizontal axis is set to time (second). 6 (A) shows the estimated position and the measured position of the hand 57 in the z-axis direction, and the vertical axis of FIG. 6 (B) shows the estimated speed and the measured speed obtained by differentiating the estimated position. ing. Further, the vertical axis in FIG. 6C shows the assist force obtained by the impedance control unit 61b based on the estimated position and moving speed of the hand 57, and the vertical axis in FIG. This shows the operating force that has been applied. In the present experiment I, the work W is separated from the hand 57 at around 25 seconds.
[0072]
From the characteristics of the estimated position of the hand 57 shown in FIG. 6 (A), the estimated position has begun to gradually rise in the vicinity of 25 seconds. You can confirm that you have done. That is, as shown in FIG. 6C, the position of the hand 57 rises in the vicinity of 25 seconds even though the assist force is constant, which means that the mass of the movable part is reduced. That is, it means that the work W is released from the hand 57.
[0073]
Also, from the characteristics of the estimated speed shown in FIG. 6B, the measured speed (solid line in FIG. 6B) and the estimated speed (broken line in FIG. 6B) until the hand 57 releases the workpiece W. It can be seen that the two do not match from then on until about 42 seconds. This is because in Experiment I, the mass of the movable part (including the mass of the work W) is fixed at 29.5 kg, and the actual mass after releasing the work W from the hand 57 is the mass of the work W ( The decrease by 7.5 kg) means that the moving speed xdot of the hand 57 cannot be accurately estimated.
[0074]
Therefore, as shown in FIG. 6C, the assist force f according to the fluctuation of the estimated speed shown in FIG. _a Is generated in the motor 31c. That is, based on the moving speed of the operating handle 52 estimated by the Kalman filter calculation unit 61a (the above-mentioned equation (5)), the assist force f is calculated by the impedance control unit 61b (the above-mentioned equation (1)). _a Is calculated, the characteristics are as shown in FIG. 6 (C). The assist force f calculated by the impedance control unit 61b _a 6 includes the term of the operating force f (see equation (1)), it can be seen that the influence of the operating force f shown in FIG. 6D is also reflected.
[0075]
In the case where the mass of the work W gripped by the hand 57 changes in this manner, if the mass of the work W is set to a constant value, the assist force f _a Is not able to follow, it is considered that the operator M may feel uncomfortable in the operation. On the other hand, when the mass of the work W gripped by the hand 57 does not change, for example, when the operator M works with the tool or the like while holding the predetermined tool or the like with the hand 57, the mass of the work W is It is considered that even if is set to a constant value, assist control that does not easily give the operator M an uncomfortable feeling can be performed.
[0076]
Next, the present inventors operate the operation handle 52 while operating the operation handle 52 while estimating the position / movement speed, mass, viscous resistance of the movable portion, and frictional resistance of the movable portion of the hand 57 by the Kalman filter calculation section 61a. The effect of the change in mass was also examined by an experiment, and the results will be described with reference to FIG. It should be noted that Q is a parameter related to the Kalman filter. _t , R _t Used the value of the following equation (14). The mass of the work W and the operation direction of the operation handle 52 are the same as those in Experiment I.
[0077]
(Equation 8)

[0078]
In the characteristic diagrams shown in FIGS. 7A to 7G, the horizontal axis is set to time (second). The vertical axes in FIGS. 7A to 7D are set in the same manner as the vertical axes in FIGS. 6A to 6D in Experiment I. Further, the vertical axis of FIG. 7 (E) indicates the mass of the movable portion (including the mass of the work W) estimated by the Kalman filter calculation section 61a, and the viscous resistance and the frictional resistance of the movable portion similarly estimated. Are set on the vertical axis in FIGS. 7F and 7G, respectively. In the present experiment II, the work W is grasped by the hand 57 around 15 seconds, and the work W is separated from the hand 57 around 30 seconds.
[0079]
In Experiment I described with reference to FIG. 6, only the position / movement speed of the hand 57 was estimated by the Kalman filter calculation unit 61a, but in Experiment II, the mass of the movable unit (including the mass of the work W) and the movable unit And the frictional resistance of the moving parts are also estimated. Therefore, from the characteristic of the estimated mass of the movable part shown in FIG. 7 (E), the estimated mass gradually increases from about 15 seconds when the workpiece W is gripped by the hand 57, and eventually the total weight of the movable part including the workpiece W. 29.5 kg, which is the same characteristic. In the vicinity of 30 seconds, the estimated mass is gradually decreased due to the release of the work W from the hand 57. Thereby, it can be confirmed that the increase or decrease with respect to the mass change can be estimated by the Kalman filter calculation unit 61a.
[0080]
Also, from the characteristics of the estimated speed shown in FIG. 7B, the measured speed of the hand 57 (solid line in FIG. 7B) and the estimated Although a slight deviation from the speed (broken line in FIG. 7 (B)) is confirmed, it is also confirmed from the same characteristics that the accuracy of the estimation is improved with time and the two coincide. it can.
[0081]
Further, from the characteristics of the estimated position of the hand 57 shown in FIG. 7A, the mass of the movable portion changes around 30 seconds, and even when no operating force is applied (f = 0) (FIG. 7D). After that, it can be confirmed that the position of the hand 57 is suppressed to a change of about ± 0.1 m. This is significantly improved in Experiment II in which the mass of the movable part is also estimated, as compared with that in Experiment I, which rose by about 0.5 m immediately after releasing the work W (see FIG. 6A). You can see that it is.
[0082]
Note that the estimated viscous resistance characteristic of the movable portion shown in FIG. 7 (E) is, for example, that the

shafts

32a, 32b, 32c, 32d and the shafts 32a constituting the power assist device 20 are rotatably supported. Moving parts such as a lubricant such as grease or a sliding buffering member such as Teflon (registered trademark) or a fluororesin which is interposed between the bearing member or the like, or between the ball screw 38 for the z-axis and the female screw tube 43. Is estimated by the Kalman filter calculation unit 61a.
[0083]
The estimated frictional resistance characteristic of the movable portion shown in FIG. 7 (G) is, for example, that the

shafts

32a, 32b, 32c, 32d and the shafts 32a constituting the power assist device 20 are rotatably supported. The frictional resistance of the movable part generated between the bearing member or the like, between the z-axis ball screw 38 and the female screw pipe 43, or between the

guide rails

22a, 22b, 22c, 22d and the moving wheel 35 is reduced. This is estimated by the Kalman filter operation unit 61a.
[0084]
When the mass of the work W gripped by the hand 57 changes in this way, by estimating the mass of the movable portion (including the work W), even if the mass of the movable portion including the work W changes, Assistance force f _a Is possible, it is difficult for the operator M to feel uncomfortable with the operation, and the operation feeling can be improved.
[0085]
Further, by inputting information about the mass of the work W detected by the load cell 55 to the Kalman filter operation unit 61a, the time required for estimating the mass of the movable part including the work W by the Kalman filter operation unit 61a is reduced. Is done. This makes it possible to follow the change in the mass of the movable portion in real time, so that the operational feeling can be further improved. In addition, even when the mass of the movable part is different each time it is transported, an operation or the like of inputting a control parameter relating to a change in the mass of the movable part is not required, so that a reduction in work efficiency that may be caused by the necessity of the input operation or the like is prevented. be able to.
[0086]
As described above, according to the power assist device 20 according to the present embodiment, the operating force f of the operator M who operates the work W is detected by the force sensor 54, and the frame is calculated by the Kalman filter operation unit 61a (Equation (5)). The position x of the hand 57, the moving speed xdot, and the mass m of the movable unit as predetermined control parameters related to the unit, the driving unit, the moving unit 40, and the operation unit 50 ₀ (Including the mass of the work W), viscous resistance c of the movable part ₀ , The frictional resistance F of the movable part is estimated. Then, the operating force f, the position x of the hand 57, the moving speed xdot, and the mass m of the movable part ₀ , Viscous resistance c of movable part ₀ And the assist force f obtained by the impedance control unit 61b (Equation (1)) based on the frictional resistance F of the movable part. _a Is generated by the

motors

31a, 31b, 31c.
[0087]
Thereby, the position x, the moving speed xdot, and the mass m of the movable unit of the hand 57 relating to the frame unit, the driving unit, the moving unit 40, and the operation unit 50 ₀ , Viscous resistance c of movable part ₀ As the frictional resistance F of the movable part, a value estimated as appropriate by the Kalman filter operation part 61a without using a design value or a predetermined value is used. For example, the surrounding environment (for example, temperature and humidity) of the power assist device 20 is used. ), The aging, or the mass of the work W changes, the position x, the moving speed xdot, and the mass m of the movable portion of the hand 57 according to each change. ₀ , Viscous resistance c of movable part ₀ In addition, a suitable assist force can be generated by estimating the frictional resistance F of the movable part. Therefore, even when the surrounding environment of the power assist device 20 changes in this way, it is difficult to give the operator a poor operation feeling, and the operation feeling can be improved. In addition, even if the mass of the work W may be different each time it is transported, the position x, the moving speed xdot, and the mass m of the movable portion of the hand 57 are changed according to the change in the mass of the work W ₀ , Viscous resistance c of movable part ₀ And the frictional resistance F of the movable part is estimated. ₀ This eliminates the need for an operation for inputting the information. Therefore, it is possible to prevent a decrease in work efficiency that may be caused by a need for an input operation or the like.
[0088]
In the power assist device 20 according to the present embodiment, the position x of the hand 57 is detected by a rotation angle sensor E provided on each of the

motors

31a, 31b, and 31c and capable of detecting the rotation angle of each motor. The position x of the hand 57 is also estimated by the section 61a. Accordingly, the position of the hand 57 can be acquired with high accuracy without being affected by noise components that are likely to be included in the detection information from the rotation angle sensor E. Therefore, high-precision position control of the work W can be expected, so that the work W can be faithfully moved according to the operation of the operator M, and the operational feeling can be further improved.
[0089]
Further, in the power assist device 20 according to the present embodiment, the speed xdot of the hand 57 is estimated by the Kalman filter operation unit 61a without performing a differential operation on the position x of the hand 57 detected by the rotation angle sensor E described above. Thereby, the moving speed of the hand 57 can be acquired with high accuracy without being affected by noise components that are likely to be included in the detection information from the rotation angle sensor E. Therefore, high-precision position control of the work W can be expected, so that the work W can be faithfully moved according to the operation of the operator M, and the operational feeling can be further improved.
[0090]
In the above-described embodiment, the Kalman filter calculation unit 61a that is processed by the CPU 61 of the control device 60 has been described as an example of the estimating unit that estimates a predetermined control parameter related to the assist mechanism. The present invention is not limited thereto, and for example, a method using a recursive least squares method or an observer may be used.
[0091]
For example, the estimating means based on the sequential least squares method includes the following means. The equation of motion of the z-axis (z-axis ball screw 38) of the power assist device 20 is given by the following equation (15). Then, it is converted into a linear regression model of the following equation (16).
[0092]
(Equation 9)

Where x _t Is a sample of x, and t represents a sampling step.
[0093]
(Equation 10)

It is.
[0094]
At this time, θ can be obtained by the following equation (19).
[0095]
[Equation 11]

[0096]
Once the estimated value of θ is obtained, the mass m of the movable part is determined as a predetermined control parameter by the above equation (18). ₀ (Including the mass of the work W), viscous resistance c of the movable part ₀ And the frictional resistance F of the movable part can be estimated. Therefore, it is possible to generate an appropriate assist force in the motor 31a or the like in accordance with the change in these control parameters.
[0097]
Further, for example, the estimating means by the observer includes the following means. When the equation of motion of the z-axis (ball screw 38 for z-axis) of the power assist device 20 is set as the above-mentioned equation (15), the state equation in discrete time is the following equation (20), and the output equation is the following equation (21).
[0098]
(Equation 12)

[0099]
here,
(Equation 13)

It is.
[0100]
[Equation 14]

It can be obtained from this equation (23). Here, K is a constant matrix.
[0101]
As a result, the position x and the moving speed xdot of the hand 57 can be estimated as the predetermined control parameters, so that the motor 31a or the like can generate an appropriate assist force according to the change in these control parameters.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a mechanical configuration of a power assist device according to an embodiment of the present invention, as viewed from above the power assist device.
FIG. 2 is a perspective view showing a mechanical configuration of the power assist device according to the embodiment, viewed from substantially the side of the power assist device.
FIG. 3 is a perspective view showing a mechanical configuration of the power assist device according to the embodiment, as viewed from below the power assist device.
FIG. 4 is a block diagram illustrating a configuration of a control device of the power assist device according to the present embodiment.
FIG. 5 is a functional block diagram showing a configuration of a control function by a control device of the power assist device according to the embodiment.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing various characteristics obtained when the power assist device according to the present embodiment is operated while estimating only the position and the moving speed of the hand gripping the work by using the Kalman filter; 6B shows the estimated speed and the measured speed of the hand, FIG. 6B shows the estimated speed and the measured speed, and FIG. 6C shows the assist force obtained based on the estimated position and the moving speed of the hand. FIG. 6D shows the operating force detected by the force sensor.
FIG. 7 is a diagram illustrating a case where the power assist device according to the present embodiment is operated while estimating a position, a moving speed, and a mass, a viscosity coefficient, and a friction coefficient of a movable unit including the work W by using a Kalman filter; FIG. 7 (A) is a characteristic diagram showing the obtained various characteristics, showing the estimated position and the measured position of the hand in FIG. 7 (A), FIG. 7 (B) shows the estimated speed and the measured speed, and FIG. FIG. 7 (D) shows the operating force detected by the force sensor, FIG. 7 (E) shows the estimated mass of the movable part, FIG. 7F shows the estimated viscous resistance of the movable part, and FIG. 7G shows the estimated friction resistance of the movable part.
[Explanation of symbols]
20 Power assist device
21a, 21b, 21c, 21d firmness (assist mechanism)
22a, 22b, 22c, 22d Guide rail (assist mechanism)
31a, 31b, 31c Motor (Assist force generating means)
32a, 32b, 32c, 32d shaft (assist mechanism, movable part)
33 gears (assist mechanism, movable part)
34 belt (assist mechanism, movable part)
35 Moving wheel (assist mechanism, movable part)
36a x-direction rod (assist mechanism, movable part)
36by y-direction rod (assist mechanism, movable part)
38 z axis ball screw (assist mechanism, movable part)
40 Moving part (assist mechanism, movable part)
42a, 42b bearing (assist mechanism, movable part)
43 female thread tube (assist mechanism, movable part)
50 Operation part (assist mechanism, movable part)
54 force sensor (operation state detection means)
55 load cell (mass measuring means)
60 control device (estimation means, calculation means)
61 CPU (estimating means, calculating means)
61a Kalman filter operation unit (estimation means)
61b Impedance controller (computing means)
W Work (object)
M operator

Claims

Operation state detection means for detecting an operation state of an operator operating an object to be moved or changed in posture;
Assist force generating means for generating an assist force for assisting the movement or posture change of the object by the operator;
An assist mechanism for applying the assist force to the object;
Estimating means for estimating a predetermined control parameter related to the assist mechanism,
Calculating means for calculating an assist force to be generated by the assist force generating means based on the operation state detected by the operation state detecting means and a predetermined control parameter estimated by the estimating means;
A power assist device comprising:

The power assist device according to claim 1, wherein the predetermined control parameter includes at least a mass of the object.

2. The power assist device according to claim 1, wherein the predetermined control parameter is a viscous resistance of a movable part constituting the assist mechanism.

The power assist device according to claim 1, wherein the predetermined control parameter is a frictional resistance of a movable part forming the assist mechanism.

The power assist device according to claim 1, wherein the predetermined control parameter is a position of the object.

The power assist device according to claim 1, wherein the predetermined control parameter is a moving speed of the object.

The power assist device according to claim 2, further comprising mass measuring means for measuring at least the mass of the object.

The power assist device according to any one of claims 1 to 7, wherein the estimating unit is based on a Kalman filter.

The power assist device according to any one of claims 2 to 4, wherein the estimating means is based on a recursive least squares method.

The power assist apparatus according to claim 5, wherein the estimating unit is based on an observer.