JP2005306546A - パワーアシスト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操作性および安全性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、フォースセンサ５４により検出された操作者Ｍの操作力Ｆ_ｈ およびカルマンフィルタ６１a2により推定されたワークＷを含めた可動部の質量ｍ、粘性抵抗ｃ、摩擦抵抗Ｆに基づいてモータ３１ａ〜３１ｃをインピーダンス制御するインピーダンス制御部６１ａと、当該操作力Ｆ_ｈ に基づいてモータ３１ａ〜３１ｃを開ループで力制御する力制御部６１ｂとを備え、所定の切替条件を充足した場合、切替部６１ｃにより、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御と力制御部６１ｂによる開ループの力制御とを切り替える。これにより、障害物に接触するまではインピーダンス制御部６１ａによりモータ３１ａ〜３１ｃをインピーダンス制御し、障害物に接触した後は力制御部６１ｂによりモータ３１ａ〜３１ｃを開ループで力制御する。
【選択図】 図５

Description

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。

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（下記、特許文献１、非特許文献１等）。これらでは、操作性の向上を可能にする構成を提案している。

この種のパワーアシスト装置では、ロボットハンドに加わる荷重を計測可能なロードセルがロボットハンドに取り付けられており、このロードセルから出力されるセンサ情報に基づいて、搬送中のワークの質量を検出するほか、ワークを床等に置いた場合に加わる反力をも検出可能にしている。つまり、ロードセルを備えることで、搬送中のワークの重さを検出するだけでなく、当該ワークが床や壁等の障害物に接触しているか否かも検出できるように構成されている。
特開２００３−２５２６００号公報（第２頁〜第１９頁、図１〜１３） 林、加藤、池浦、中村、水谷、日本機械学会東海支部第５２期総会講演会講演論文集、２００３年、p.３１１−３１２

しかしながら、このような従来のパワーアシスト装置では、ロードセルを備えていることから、障害物に対するワークの接触等をも検出可能にしている反面、このような障害物への接触やロボットハンドの高速動作によって予定外の力が当該ロードセルに加わることがある。そのため、当該ロードセルを破損し易く、破損したロードセルを交換するのに要する時間やコストを考慮すると、ロードセルを備えることがメインテナンス性の低下を招き保守面の問題を発生させている。また、当該ロードセルを備えることによって装置コストの上昇をも招くというコスト面の問題も存在する。

一方、このようなロードセルによる保守面の問題やコスト面の問題を解決するため、当該ロードセルを備えない装置構成を採る考え方もある。ところが、当該ロードセルを排除すると、例えば、ワークの質量はカルマンフィルタにより推定できるものの（非特許文献１）、ワークやロボットハンドに加わる反力の推定は困難であることから、例えば、搬送中のワーク等が床等の障害物に接触しているか否かを検出し難くなる。そのため、搬送途中において障害物にワークが接触してもそれを検出できない場合には、当該障害物の存在を無視して操作者の操作力方向にアシストすることから、当該障害物やワークあるいはロボットハンドを破損し得るという安全面の問題が新たに発生する。

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、操作性および安全性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。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載された請求項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、前記検出された操作状態および前記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をインピーダンス制御するインピーダンス制御手段と、前記検出された操作状態に基づいて、前記アシスト力発生手段を力制御する力制御手段と、所定条件を充足した場合、前記インピーダンス制御手段によるインピーダンス制御と前記力制御手段による力制御とを切り替える切替手段と、を備えることを技術的特徴とする。

また、特許請求の範囲に記載された請求項２のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記切替手段は、前記操作状態に基づく前記インピーダンス制御における前記物体の目標移動速度と前記物体の実移動速度との差が所定値以上になった場合に、前記所定条件を充足したとして、前記インピーダンス制御手段によるインピーダンス制御から前記力制御手段による力制御に切り替えることを技術的特徴とする。なお「物体の実移動速度」とは、当該物体が移動する実際の速度のことである。また「物体の目標移動速度」とは、当該物体が移動する際に目標とする速度のことである。

さらに、特許請求の範囲に記載された請求項３のパワーアシスト装置では、請求項１において、前記切替手段は、前記操作状態が前記操作者による操作力であって、前記力制御における前記操作者による操作力の方向が、当該力制御に切り替わる直前の前記インピーダンス制御における前記操作者による操作力の方向と逆向きになった場合に、前記所定条件を充足したとして、前記力制御手段による力制御から前記インピーダンス制御手段によるインピーダンス制御に切り替えることを技術的特徴とする。

さらにまた、特許請求の範囲に記載された請求項４のパワーアシスト装置では、請求項１〜３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。

さらにまた、特許請求の範囲に記載された請求項５のパワーアシスト装置では、請求項１〜３のいずれか一項において、前記推定手段は、最小二乗法によるものであることを技術的特徴とする。

さらにまた、特許請求の範囲に記載された請求項６のパワーアシスト装置では、請求項１〜３のいずれか一項において、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。

上記目的を達成するため、特許請求の範囲に記載された請求項７のパワーアシスト装置では、物体を操作する操作者の操作状態を含めた所定の制御パラメータに基づいた制御により、前記操作者による前記物体の操作をアシストするパワーアシスト装置であって、前記物体の操作状況により、前記所定の制御パラメータに基づくインピーダンス制御から前記操作状態に基づく力制御に切り替えたり、前記操作状態に基づく力制御から前記所定の制御パラメータに基づくインピーダンス制御に切り替えることを技術的特徴とする。

なお、「操作者の操作状態」として、例えば、操作者が握った操作レバーのフォースセンサにより検出される、操作者による操作力の大きさや操作力の方向等が相当し得る。また、「所定の制御パラメータ」として、例えば、物体の質量、移動位置、移動速度等や、アシスト機構の粘性抵抗、摩擦抵抗等が相当し得る。さらに、「物体の操作状況」として、例えば、操作者の操作状態に基づくインピーダンス制御における物体の目標移動速度と物体の実移動速度との差が所定値以上になったこと、あるいは力制御における操作者による操作力の方向が、当該力制御に切り替わる直前のインピーダンス制御における操作者による操作力の方向と逆向きになったこと等が相当し得る。

請求項１の発明では、「操作状態検出手段により検出された操作者の操作状態」および「推定手段により推定されたアシスト機構に係る所定の制御パラメータ」に基づいてアシスト力発生手段をインピーダンス制御するインピーダンス制御手段と、「操作状態検出手段により検出された操作者の操作状態」に基づいてアシスト力発生手段を力制御する力制御手段とを備え、所定条件を充足した場合、切替手段により、当該インピーダンス制御手段によるインピーダンス制御と当該力制御手段による力制御とを切り替える。

これにより、例えば、障害物に接触するまではインピーダンス制御手段によりアシスト力発生手段をインピーダンス制御し、障害物に接触した後は力制御手段によりアシスト力発生手段を力制御することができる。また障害物から離れるまでは力制御手段によりアシスト力発生手段を力制御し、障害物から離れた後はインピーダンス制御手段によりアシスト力発生手段をインピーダンス制御することができる。即ち、当該物体が「障害物に接触するまで」の移動中においてはアシスト力発生手段をインピーダンス制御し当該物体が「障害物に接触した後」の停止中においてはアシスト力発生手段を力制御したり、また当該物体が「障害物から離れるまで」の停止中においてはアシスト力発生手段を力制御し当該物体が「障害物から離れた後」の移動中においてはアシスト力発生手段をインピーダンス制御するといった制御アルゴリズムを採ることができる。したがって、インピーダンス制御により操作性を向上させ、力制御により安全性を向上させることができる。

請求項２の発明では、切替手段は、操作状態に基づくインピーダンス制御における物体の目標移動速度と物体の実移動速度との差が所定値以上になった場合に、所定条件を充足したとして、インピーダンス制御手段によるインピーダンス制御から力制御手段による力制御に切り替える。即ち、物体が障害物に接触している場合には、当該物体の実移動速度がほぼ０（ゼロ）になることから、時間の経過とともに当該物体の実移動速度とインピーダンス制御による目標移動速度との差が拡がる。そのため、このような速度の差が所定値以上になった場合、当該物体が障害物に接触して停止していると判断することができるので、ロードセルを用いることなく、当該物体が障害物に接触していることを検出できる。これにより、障害物への接触を条件に、当該物体が「障害物に接触するまで」の移動中においてはアシスト力発生手段をインピーダンス制御し、当該物体が「障害物に接触した後」の停止中においてはアシスト力発生手段を力制御することができる。したがって、ロードセルを備えることなく、操作性および安全性を向上することができる。またロードセルを要しないため、装置コストを低減することができる。

請求項３の発明では、切替手段は、力制御における操作者による操作力の方向が、当該力制御に切り替わる直前のインピーダンス制御における操作者による操作力の方向と逆向きになった場合に、所定条件を充足したとして、力制御手段による力制御からインピーダンス制御手段によるインピーダンス制御に切り替える。即ち、障害物に接触していた物体が当該障害物から離れる場合には、接触前に行われていたインピーダンス制御時の操作力の方向（障害物に近づく方向）と逆向き（障害物から離れる方向）に操作力が接触後に行われていた力制御時に働くことから、このように操作力の方向が変わったとき、当該物体が障害物から離れる直前であると判断することができる。つまり、ロードセルを用いることなく、当該物体が障害物から離れる直前を検出できる。これにより、障害物から離れる直前の検出を条件に、当該物体が「障害物から離れるまで」の停止中においてはアシスト力発生手段を力制御し当該物体が「障害物から離れた後」の移動中においてはアシスト力発生手段をインピーダンス制御することができる。したがって、ロードセルを備えることなく、操作性および安全性を向上することができる。またロードセルを要しないため、装置コストを低減することができる。

請求項４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・移動位置・移動速度や、アシスト機構の粘性抵抗・摩擦抵抗を推定することができる。これにより、これら物体の質量・移動位置・移動速度あるいはアシスト機構の粘性抵抗・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。したがって、インピーダンス制御による操作性を一層向上させ、さらに力制御による安全性を向上させることができる。

請求項５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、物体の質量や、アシスト機構の粘性抵抗・摩擦抵抗を推定することができる。これにより、物体の質量あるいはアシスト機構の粘性抵抗・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。したがって、インピーダンス制御による操作性を一層向上させ、さらに力制御による安全性を向上させることができる。

請求項６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、物体の移動位置・移動速度を推定することができる。これにより、物体の移動位置・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。したがって、インピーダンス制御による操作性を一層向上させ、さらに力制御による安全性を向上させることができる。

請求項７の発明では、物体の操作状況により、所定の制御パラメータに基づくインピーダンス制御から操作状態に基づく力制御に切り替えたり、操作状態に基づく力制御から所定の制御パラメータに基づくインピーダンス制御に切り替える。これにより、例えば、障害物に接触するまではインピーダンス制御手段によりアシスト力発生手段をインピーダンス制御し、障害物に接触した後は力制御手段によりアシスト力発生手段を力制御することができる。また障害物から離れるまでは力制御手段によりアシスト力発生手段を力制御し、障害物から離れた後はインピーダンス制御手段によりアシスト力発生手段をインピーダンス制御することができる。即ち、「障害物に接触するまで」の物体の移動中においてはアシスト力発生手段をインピーダンス制御し、「障害物に接触した後」の物体の停止中においてはアシスト力発生手段を力制御したり、また「障害物から離れるまで」の物体の停止中においてはアシスト力発生手段を力制御し、「障害物から離れた後」の物体の移動中においてはアシスト力発生手段をインピーダンス制御するといった制御アルゴリズムを採ることができる。したがって、インピーダンス制御により操作性を向上させ、力制御により安全性を向上させることができる。

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。本実施形態に係るパワーアシスト装置２０は、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、例えば、組立作業を伴う生産ライン等で利用可能である。

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。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。

図１に示すように、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から構成されている。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本の支柱２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと、グランド面Ｇに対し水平方向に支柱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。

本実施形態においては、支柱２１ａ、２１ｂ間に架けられるガイドレール２２ａあるいは支柱２１ｃ、２１ｄ間に架けられるガイドレール２２ｃの長手方向をｘ方向に、また支柱２１ｂ、２１ｃ間に架けられるガイドレール２２ｂあるいは支柱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。さらにグランド面Ｇに対し鉛直方向をｚ方向とする。なお、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。

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、支柱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、いわゆる「可動部」の概念に含まれる。

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。

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がそれぞれに内蔵されており、こ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。これにより制御装置６０では当該検出データによりハンド５７の位置情報ｘを得ている。

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。

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を回転させることができる。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。

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。

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。

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。

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、いわゆる「可動部」の概念に含まれるものである。

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。

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、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、いわゆる「可動部」の概念に含まれるものである。

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。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いる。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、後述する図８および図１０に示すように、操作者Ｍが片手で操作可能なジョイスティック型のものであっても良い。「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（入力装置）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。

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ｆ_ｈ 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、操作力ｆ_ｈ の大きさを検出できれば足りるため、直接ワークＷを操作できてワークＷに加わる力（反力、慣性力、質量等）を検出できるタイプのものよりも、障害物への接触時の衝撃でフォースセンサ５４が壊れる危険性の少ない、操作力のみが検出できるタイプのものを採用している。ただし、このようなタイプのフォースセンサは、ロードセルと異なりワークＷ自体に加わる力を検出できなため、ワークＷの質量やワークＷが床や壁等から受ける反力を検出することはできない。このフォースセンサ５４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。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。

ハンド５７は、ワークＷを把持する機能を有する、いわゆるロボットハンドで、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。なお、このハンド５７に把持されたワークＷの移動位置、つまりハンド５７の位置情報ｘは、前述したそれぞれのモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに内蔵される回転角センサ（エンコーダ）Ｅからの検出データに基づいて制御装置６０により求められる。

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、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、後述するインピーダンス制御部６１ａや力制御部６１ｂによりモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに対するトルク指令値等を演算処理するもので、主に、ＣＰＵ６１、インターフェイス（Ｉ／Ｆ）６３、モータ駆動回路（ＤＲＶ）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」、「インピーダンス制御手段」および「力制御手段」に相当するものである。また、図４において、インターフェイス６３、モータ駆動回路６５、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃは、それぞれ、Ｉ／Ｆ６３、ＤＲＶ６５、Ｍ３１ａ〜３１ｃと表記されていることに留意されたい。

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、インターフェイス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に出力するアシスト制御処理を行う。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、インピーダンス制御部６１ｂや切替部６１ｃを実現するアシスト制御プログラム等が格納されている。

インターフェイス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。

次に、このような構成からなる制御装置６０によりアシスト制御されるモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃの制御ブロックの構成を図５および図６に基づいて説明する。なお、図５には、制御装置６０による制御機能の構成を示す機能ブロックが示されており、同図中の実線黒矢印（例えば、フォースセンサ５４からインピーダンス制御部６１ａや力制御部６１ｂに至るもの）は、電気信号等による情報の伝達を示し、同図中の破線白矢印（例えば、操作者Ｍからフォースセンサ５４に至るもの）は、物理的な力の伝達を示している。

制御装置６０は、操作者Ｍの操作状態を検出するフォースセンサ５４からの入力データや回転角センサＥから送られてくるデータに基づいて、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに出力するトルク指令値等をＣＰＵ６１により演算処理するもので、その主要機能として、主に、インピーダンス制御部６１ａ、力制御部６１ｂおよび切替部６１ｃを備えている。

即ち、インピーダンス制御部６１ａは、フォースセンサ５４により検出された操作力ｆ_ｈ および後述するカルマンフィルタ６１a2により推定された所定の制御パラメータに基づいて、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃをインピーダンス制御するもので、特許請求の範囲に記載の「インピーダンス制御手段」に相当し得るものである。一方、力制御部６１ｂは、フォースセンサ５４により検出された操作力ｆ_ｈ に基づいて、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを力制御するもので、特許請求の範囲に記載の「力制御手段」に相当し得るものである。また、切替部６１ｃは、所定条件を充足した場合、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御と力制御部６１ｂによる力制御とを切り替えるもので、特許請求の範囲に記載の「切替手段」に相当し得るものである。

ここで、インピーダンス制御部６１ａおよび力制御部６１ｂの構成を図６を参照して詳述する。なお、図６(A) にはインピーダンス制御部６１ａの具体例、図６(B) には力制御部６１ｂの具体例がそれぞれ示されている。なお、以下、時間微分されたハンド５７の位置情報ｘ（移動速度）を数式および図面中ではｘに「・」を付して表現し、また文中ではｘ-dotと表記する。同様に時間微分を２度施されたハンド５７の位置情報ｘ（加速度）を数式および図面中ではｘに「・・」を付して表現し、また文中ではｘ-dotdot と表記する。また、カルマンフィルタ６１a2により推定された式および図面中のパラメータｍ、ｃ、Ｆは「＾」を付して表現し、また文中では当該推定された、質量、粘性抵抗、摩擦抵抗をそれぞれｍ-hat、ｃ-hat、Ｆ-hatと表記する。

図６(A) に示すように、インピーダンス制御部６１ａは、微分演算部６１a1、カルマンフィルタ６１a2およびトルク指令値演算部６１a3を含んで構成されており、フォースセンサ５４から入力される操作力ｆ_ｈ と回転角センサＥから入力されるハンド５７の位置情報ｘとに基づいてＣＰＵ６１により以下のインピーダンス制御による演算処理を行うことで、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに対するトルク指令値ｆ_ａ を求めて出力する。

即ち、微分演算部６１a1では、回転角センサＥにより入力されたハンド５７の位置情報ｘを時間微分することによってハンド５７の移動速度ｘ-dotを求め、それをトルク指令値演算部６１a3に出力する。一方、カルマンフィルタ６１a2では、後述するように、入力される位置情報ｘと操作力ｆ_ｈ に基づいて、ワークＷを含めた可動部の質量ｍ、可動部の粘性抵抗ｃ、可動部の摩擦抵抗Ｆを推定しそれらをトルク指令値演算部６１a3に出力する。これにより、トルク指令値演算部６１a3には、操作力ｆ_ｈ 、ハンド５７の加速度ｘ-dotdot 、推定質量ｍ-hat、推定粘性抵抗ｃ-hatおよび推定摩擦抵抗Ｆ-hatが入力される。なお本実施形態では、ハンド５７の位置情報ｘとして、回転角センサＥから入力される検出データに基づくものを用いたが、これに限られることはなく、例えば、後述するように、カルマンフィルタ６１a2により推定される推定位置や推定移動速度を用いても良い。

なお、「可動部」とは、前述したように、支柱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、移動部４０、操作部５０等を含めたものである。

ここで、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、前述したように、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸の各軸間に機械的な干渉がないため、各軸は独立した制御系となる。そのため、ここでは、ハンド５７に把持されたワークＷ等が床に接触する場合を想定し、ｚ軸の制御について考えると、当該パワーアシスト装置２０の運動方程式は、次式(1) により表される。但し、次式(1) において、ｆ_ａ はトルク指令値、ｆ_ｈ は操作力、ｍはワークＷを含めた可動部の質量、ｃは可動部の粘性抵抗、Ｆは可動部の摩擦抵抗、ｘ-dotはハンド５７の移動速度、ｘ-dotdot はハンド５７の加速度、ｇは重力加速度を示す。

そこで、トルク指令値演算部６１a3では、操作力ｆh に応じたハンド５７の目標位置ｘ_ｄ 、目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ 、目標加速度(ｘ-dotdot)_ｄを、次式(2) のインピーダンス特性式に従って算出する。但し、次式(2) において、ｍ_０ 、ｃ_０ は、それぞれ仮想質量、仮想粘性抵抗で、予め決定された所定値が与えられる。本実施形態では、仮想質量ｍ_０ は１０kg、仮想粘性抵抗ｃ_０ は１００Ｎｓ／ｍにそれぞれ設定されている。

この式(2) による演算によって、目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ 、目標加速度(ｘ-dotdot)_ｄが得られるので、トルク指令値演算部６１a3では、さらに前述したハンド５７の加速度ｘ-dotdot 、推定質量ｍ-hat、推定粘性抵抗ｃ-hatおよび推定摩擦抵抗Ｆ-hatに基づいてモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに対するトルク指令値ｆ_ａ をトルク指令値演算部６１a3により算出する。一般には、摩擦抵抗Ｆの補償は、ハンド５７の移動速度ｘ-dotの方向により力の方向を決定できることから、次式(3) によりトルク指令値ｆ_ａ を求めることができる。

しかし、例えばワークＷの位置決め完了の直前のように、ハンド５７の移動速度ｘ-dotがほぼ０（ゼロ）に等しい程度に小さい場合には、回転角センサＥからの検出データに含まれるノイズ成分、あるいはカルマンフィルタ６１a2による速度推定の誤差成分によって頻繁に摩擦補償力の方向が切り替わるため振動が発生し得る。このため、いわゆる不感帯を介在させることによって、このような微妙な速度変化の検出を排除することで摩擦補償力の方向が切り替わることを防止できる。

ところが、このような「不感帯」を設けることによって、操作力ｆ_ｈ が入力されてから、摩擦補償が始まるまでに遅れが生じるため、操作性を悪化させるという新たな問題が発生する。即ち、不感帯の領域内で速度変化する程度に小さい操作力ｆ_ｈ が入力されても、そのような速度変化の検出は当該不感帯によって排除されてしまうことから、摩擦補償力の方向に影響を与えない。その結果、適切な摩擦補償が始まるまでに遅れが生じる。

そこで、本実施形態に係るトルク指令値演算部６１a3では、前式(3) に速度のフィードバック項（(ｘ-dot)_ｄ −(ｘ-dot)）を加えた次式(4) によりトルク指令値ｆ_ａ を算出するように構成することによって、操作力ｆ_ｈ の入力に対する応答性の向上を可能にしている。なお、次式(4) において、Ｄは速度フィードバックゲインを示し、例えば、Ｄ＝５５０に設定される。また、このような速度のフィードバック項を加えたインピーダンス制御を、以下、単に「インピーダンス制御」と称する。

ところで、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、前述したように、障害物に対するワークＷの接触等を検出可能にするロードセルを備えていない。そのため、床等の剛性の高い障害物にハンド５７が接触した場合の反力を検出できないことから、このような障害物に接触している状態において、操作力ｆ_ｈ の入力があった場合には、前掲の式(2) による演算によって目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ 、目標加速度(ｘ-dotdot)_ｄが算出される。このため、障害物との接触により停止している実移動速度０（ゼロ）と目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ との速度差に応じたトルク指令値ｆ_ａ が前式(4) により算出されて、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを駆動してしまうことになる。

つまり、このようなインピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御では、障害物との接触による反力に関する情報を取得していないため、把持されたワークＷやハンド５７が障害物に接触していても当該障害物との接触を無視して、操作力ｆh に応じたハンド５７の目標位置ｘ_ｄ に向かって当該ハンド５７を移動させ、ワークＷやハンド５７の破損等を招いてしまうおそれある。そこで、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、インピーダンス制御部６１ａのほかに、力制御部６１ｂを備えることによって、このような障害物との接触状態における安全な制御を可能にしている。なお、インピーダンス制御部６１ａと力制御部６１ｂとの切り替えは、後述する切替部６１ｃにより行う。

図６(B) に示すように、力制御部６１ｂは、推定値記憶部６１b1およびトルク指令値演算部６１b2を含んで構成されており、フォースセンサ５４から入力される操作力ｆ_ｈ に基づいてＣＰＵ６１により以下の開ループの力制御による演算処理を行うことで、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに対するトルク指令値ｆ_ａ を求めて出力する。

即ち、力制御部６１ｂでは、障害物との接触時（接触直後）にカルマンフィルタ６１a2により推定された、可動部の質量ｍ-hatおよび可動部の摩擦抵抗Ｆ-hat（以下「推定値」という。）を推定値記憶部６１b1に記憶することにより、この推定値と操作力ｆ_ｈ とに基づいて次式(5) によりトルク指令値ｆ_ａ を求める。つまり、把持されたワークＷやハンド５７が障害物に接触している間には、質量ｍ-hatや摩擦抵抗Ｆ-hatの推定を行うことなく、接触直後の推定された質量ｍ-hatおよび摩擦抵抗Ｆ-hatを用いてトルク指令値ｆ_ａ を算出する。なお、次式(5) において、αは力を増幅するゲインを示し、例えば、α＝１に設定される。また、ｇは重力加速度を示す。

これにより、力制御部６１ｂでは、前掲の式(3) 、(4) のように、目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ 、目標加速度(ｘ-dotdot)_ｄを含むことなく、またハンド５７の位置情報ｘをフィードバック入力することなく、式(5) によりトルク指令値ｆ_ａ を求めているので、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに対し開ループの力制御を行っていることとなる。即ち、前述したインピーダンス制御部６１ａでは「速度ベースのインピーダンス制御」を行っていたの対し、この力制御部６１ｂでは、速度と加速度の項を削除することで「トルクベースのインピーダンス制御」（＝力制御）を実現している。

ここで、カルマンフィルタ６１a2による所定の制御パラメータ（質量ｍ-hat、粘性抵抗ｃ-hat、摩擦抵抗Ｆ-hat等）の推定について説明する。前述したように、パワーアシスト装置２０のｚ軸の運動方程式は、式(1) により表されるので、カルマンフィルタ６１a2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(6) により、また同様に観測方程式は次式(7) 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。

ただし、
Δｔはサンプリングタイムを表す。

これらのシステムを次式(9) 〜式(13)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推定することができる。但し、次式において、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。なお、本実施形態に係るカルマンフィルタ６１a2では、Ｑ_ｔ 、Ｒ_ｔ を次式(14)に示すように設定した。

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６１a2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・摩擦抵抗を推定することが可能となる。

次に、前述のインピーダンス制御部６１ａと力制御部６１ｂとを切り替える制御（切替制御）を行う切替部６１ｃについて説明する。図５に示すように、切替部６１ｃは、所定条件を充足した場合、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御と力制御部６１ｂによる開ループの力制御とを切り替えるもので、「所定条件」として、例えば次に説明するような切替条件ＩやIIを充足することよって、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御から力制御部６１ｂによる開ループの力制御に切り替えたり、また力制御部６１ｂによる開ループの力制御からインピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御に切り替える。

［切替部６１ｃによる切替条件Ｉ］（請求項２に相当）
前述したように、目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ や目標加速度(ｘ-dotdot)_ｄを算出する前掲の式(2) には、床等の障害物との接触による反力に関する項がない。そのため、把持されたワークＷやハンド５７が障害物に接触している間にも目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ や目標加速度(ｘ-dotdot)_ｄを算出し続ける。

ところが、ワークＷやハンド５７が障害物に接触している場合には、当該障害物が移動したり破損等により外形が変化しない限り、ワークＷやハンド５７の位置は変化することがないことから、ハンド５７の実移動速度はほぼ０（ゼロ）ｍ／ｓとなる。そのため、前掲の式(4) においては、障害物に接触状態にあるハンド５７の目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ と実移動速度ｘ-dotとの差が徐々に大きくなり、やがてその差は非常に大きなものとなる。つまり、このような速度差（(ｘ-dot)_ｄ −(ｘ-dot)）を監視することによって、ワークＷやハンド５７が障害物に接触しているか否かを判断することが可能となる。

そこで、切替部６１ｃでは、ハンド５７の目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ と実移動速度ｘ-dotとの差が所定値（例えば０．４ｍ／ｓ）以上になった場合に、切替条件Ｉ（所定条件）を充足したとして、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御（式(4) ）から力制御部６１ｂによる開ループの力制御（式(5) ）に切り替えるように制御している。

［切替部６１ｃによる切替条件II］（請求項３に相当）
一方、力制御部６１ｂによる開ループの力制御からインピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御に切り替える場合にも、前述した速度差（(ｘ-dot)_ｄ −(ｘ-dot)）を用いるべきではあるが、ワークＷやハンド５７が障害物に接触している状態における制御では、前述したように、式(5) による「トルクベースのインピーダンス制御」（＝開ループの力制御）を行っている。そのため、目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ や目標加速度(ｘ-dotdot)_ｄを算出していないことから、このような速度差を切替条件の判定に利用することはできない。

ところで、操作者Ｍにより加えられる操作力ｆ_ｈ に着目すると、障害物に接触しているワークＷやハンド５７が当該障害物から離れる直前においては、通常、操作者Ｍは、接触方向とは逆向きの方向に操作力を加えることがわかっている。そのため、操作力ｆ_ｈ の方向とその大きさを監視することによって、ワークＷやハンド５７が障害物から離れるか否かを離れる事前に判断することが可能となる。

そこで、切替部６１ｃでは、開ループの力制御における操作力ｆ_ｈ の方向が、当該力制御に切り替わる直前のインピーダンス制御における操作者Ｍによる操作力ｆ_ｈ の方向と逆向きになりかつ所定値（例えば１０Ｎ）以上の操作力ｆ_ｈ が加わった場合に、切替条件II（所定条件）を充足したとして、力制御部６１ｂによる開ループの力制御（式(5) ）からインピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御（式(4) ）に切り替えるように制御している。なお、「所定値以上の操作力ｆ_ｈ が加わる」という条件がない場合には、切替制御が不安定になり得る場合がある。

なお、前述したように、「ハンド５７の目標移動速度(ｘ-dot)_ｄ と実移動速度ｘ-dotとの差が所定値以上になった場合」を切替条件Ｉとするだけでなく、例えば、カルマンフィルタ６１a2による所定の制御パラメータ（質量ｍ-hat、粘性抵抗ｃ-hat、摩擦抵抗Ｆ-hat等）の推定値の変化量に基づいて切替条件Ｉを設定しても良い。

具体的には、ワークＷやハンド５７が障害物に接触すると、例えば推定質量ｍ-hatはその値が徐々に小さくなることから、その変化量Δｍ-hatが所定値以上となった場合を切替条件Ｉとしても良い。このような推定値の変化に基づく切替条件は、ワークＷやハンド５７が障害物に接触した後に緩慢に発現するものを捉えたものであるため、前述した速度差（(ｘ-dot)_ｄ −(ｘ-dot)）の変化に基づく切替条件に比べると応答性が低くなるものの、例えば、両者を併用することにより検出精度を向上させることが可能となる。

また、前述したように、「操作者Ｍによる操作力ｆ_ｈ の方向と逆向きになりかつ所定値以上の操作力ｆ_ｈ が加わった場合」を切替条件IIとするだけでなく、例えば、回転角センサＥから入力されるハンド５７の位置情報ｘまたは移動速度ｘ-dotあるいはカルマンフィルタ６１a2により推定されるハンド５７の推定位置や推定移動速度、の変化量に基づいて切替条件IIを設定しても良い。

具体的には、ワークＷやハンド５７が障害物から離れると、例えばハンド５７の位置や移動速度が変化することから、その変化量Δｘ、Δｘ-dotが所定値以上となった場合を切替条件IIとしても良い。このようなハンド５７の位置や移動速度の変化に基づく切替条件は、ワークＷやハンド５７が障害物から離れた後に検出または推定される事後的なものであるため、前述した操作力ｆ_ｈ の方向に基づく切替条件に比べると応答性が低くなるものの、例えば、両者を併用することにより検出精度を向上させることが可能となる。

ここで、上述したようなインピーダンス制御部６１ａ、力制御部６１ｂおよび切替部６１ｃを構成するパワーアシスト装置２０によってそのハンド５７等を障害物に接触させた場合の実験結果を図７〜図１１に基づいて説明する。本実験では、インピーダンス制御部６１ａ、力制御部６１ｂおよび切替部６１ｃによる制御アルゴリズムの有効性を明確するため、以下の２種類（実験結果(ｉ)、(ii)）についてその具体的な効果の確認を行った。

なお、本制御アルゴリズムの有効性をより明確にするため、切替部６１ｃによる切替制御を行うことなく、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御のままで障害物にハンド５７を接触させた場合の実験結果を図７および図８に示し、切替部６１ｃによる切替制御を行って障害物にハンド５７を接触させた場合の実験結果を図９および図１０に示す。また、図８に示す各挙動例（図８(A) 、図８(B) 、図８(C) ）は、それぞれ図７に示す時刻α、β、γに対応し、図１０に示す各挙動例（図１０(A) 、図１０(B) 、図１０(C) ）は、それぞれ図９に示す時刻α、β、γに対応する。さらに、図７、図９および図１１には、上から順番に、ハンド５７の位置（ｍ）、ハンド５７の移動速度（実線；実移動速度、破線；目標移動速度）（ｍ／ｓ）、ハンド５７の移動速度差（目標移動速度−実移動速度）（ｍ／ｓ）、操作者Ｍによる操作力ｆ_ｈ （Ｎ）、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃに対するトルク指令値ｆ_ａ （Ｎ）、の変化状態が示されている。これらの図において、実験開始時点は時刻０秒である。

［実験結果(ｉ)］（図７〜図１０）
実験結果(ｉ)は、パワーアシスト装置２０の先端、つまりハンド５７が障害物に接触する場合のもので、障害物に接触しない状態（非接触状態）で操作を開始し、障害物である紙コップにハンド５７の先端を接触させ、さらに障害物に接触した状態（接触状態）から再び非接触状態に至った後における操作に関するものである（図９および図１０）。これにより、インピーダンス制御から開ループの力制御、そして再びインピーダンス制御という一連のアルゴリズムの切り替えがスムーズに行われることを確認する。まず、このような切替制御を行うことなく、インピーダンス制御だけでアシスト制御を行った場合の実験結果を図７および図８を参照して説明する。

図７に示すように、実験開始直後の約０．９秒（時刻α）では未だ操作力ｆ_ｈ が加わっていないため（ｆ_ｈ ＝０）、ハンド５７が紙コップ（障害物）に接触していない。そのため、当該時刻αでは、図８(A) に示すように紙コップを原型を留めていることがわかる。これに対し、実験開始後、約１．２秒以降では、操作力ｆ_ｈ が障害物から離れる方向（プラス方向）や障害物に近づく方向（マイナス方向）に変化していることから、操作者Ｍにより操作されていることがわかる。

図７に示すように、実験開始後、２秒前後では、操作力ｆ_ｈ が加わっているにもかかわらず、ハンド５７の移動速度に変化がみられないため、ハンド５７が紙コップに接触したことがわかる。そして、紙コップに接触した後の、実験開始後、約３秒では、操作力ｆ_ｈ の大きさは２Ｎ〜２０Ｎと小さい値であるにもかかわらず、インピーダンス制御部６１ａのトルク指令値演算部６１a3により目標移動速度が計算されるため、移動速度差の発生に伴いトルク指令値ｆ_ａ が出力されていることがわかる。このため、図８(B) 〜図８(C) に示すように、紙コップは、ハンド５７によるアシスト力に耐えることが困難になった結果、ハンド５７に押しつぶされていることがわかる。

このように、インピーダンス制御部６１ａによる「速度ベースのインピーダンス制御」では、前掲の式(3) 、(4) に示すように、速度と加速度の項を含んでいるため、目標移動速度と実移動速度との間に速度差が発生すると、その差を補うトルク指令値ｆ_ａ が出力されアシスト力が発生してしまう。このため、障害物を破壊したり、ハンド５７が破損するといった事態を招き得る。

これに対し、インピーダンス制御部６１ａと力制御部６１ｂとを切替部６１ｃによって切り替えてアシスト制御を行った場合には、図９および図１０に示すような実験結果となる。図９に示すように、実験開始直後の約０．５秒（時刻α）では未だ操作力ｆ_ｈ が加わっていないため（ｆ_ｈ ＝０）、図１０(A) に示すように紙コップは原型を留めている。これは図７、図８に示す場合と同様である。

図９に示すように、実験開始後、約３秒でハンド５７が紙コップに接触すると、それと同時に移動速度差が発生し、やがて移動速度差が大きくなる。ところが、移動速度差が所定値（０．４ｍ／ｓ）以上になれば、前述した切替部６１ｃによる切替条件Ｉを充足するため、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御から力制御部６１ｂによる開ループの力制御に切り替わることから、約３秒を過ぎた後から７秒前後までにおいては、破線による目標移動速度および実線による実移動速度は０ｍ／ｓとなり、また移動速度差も０ｍ／ｓになっていることがわかる（図９に示す移動速度、移動速度差）。

このようにハンド５７が紙コップに接触した後では、切替部６１ｃによってインピーダンス制御から開ループの力制御に切り替えられるので、アシスト力が増加し続けることなく、安全に操作できることがわかる。また、図９に示す時刻βにおける操作のように、紙コップに接触する方向（マイナス方向）の操作力ｆ_ｈ を加えても、モータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃへのトルク指令値ｆ_ａ に変化は見られない。このため、切り替えなしのインピーダンス制御による場合（図７、８）と異なり、ハンド５７によるアシスト力が紙コップに加えられないことから、図１０(B) 〜図１０(C) に示すように、紙コップは押しつぶされることなく、原型を留めていることがわかる。

一方、図９に示すように、実験開始後、約７秒後には、操作者Ｍによって、ハンド５７が紙コップから離れる方向（プラス方向）の操作力ｆ_ｈ が加えられているため、前述した切替部６１ｃによる切替条件IIを充足し、力制御部６１ｂによる開ループの力制御からインピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御に再び切り替わっていることがわかる。これは、約７秒以降においては、破線による目標移動速度および実線による実移動速度が約０．５ｍ／ｓをピークとする値を示し、また移動速度差も同様に変化していることがわかる（図９に示す移動速度、移動速度差）。つまり、図９から、切替部６１ｃによる切り替わりと同時に移動速度差が計算され、開ループの力制御からインピーダンス制御へスムーズに移行できていることが確認できる。

［実験結果(ii)］（図１１）
実験結果(ii)は、パワーアシスト装置２０の一部、つまりハンド５７を含めた操作部５０の一部が、例えば、壁等の障害物に側方から接触する場合のもので、この実験結果からも、インピーダンス制御から開ループの力制御、そして再びインピーダンス制御という一連のアルゴリズムの切り替えがスムーズに行われることを確認した。

即ち、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、いわゆるロードセルを設けていないため、前述したように、移動速度差に基づいてハンド５７等が障害物に接触したことを検出している。そのため、障害物がハンド５７に接触した場合に限られず、障害物がハンド５７を含めた操作部５０の一部に接触した場合もその接触を検出することができる。これにより、操作部５０の一部に障害物が接触した場合等の、ロードセルをハンド５７に取り付けただけでは検出できない接触モードも検出を可能にしている。具体的には、ハンド５７の先端ではなく、ハンド５７の付け根やアームに相当する可動部の部位が、床面から立ち上がるように設けられている壁面等に接触した場合にもその接触を検出することが可能となる。

図１１に示すように、実験開始後、３秒前後に急に移動速度差が増大しているので、この増大する直前に操作部５０の一部が障害物に接触したことがわかる。接触後、移動速度差が所定値（０．４ｍ／ｓ）以上になり、切替条件Ｉを充足したので、切替部６１ｃによりインピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御から力制御部６１ｂによる開ループの力制御に切り替えられている。これは、約３秒を過ぎた後から７秒前後までにおいては、破線による目標移動速度および実線による実移動速度は０ｍ／ｓとなり、また移動速度差も０ｍ／ｓになっていることからわかる（図１１に示す移動速度、移動速度差）。

また、図１１に示すように、接触中においても、操作力ｆ_ｈ に応じたトルク指令値ｆ_ａ が出力されており、さらに実験開始後、９秒前後では、接触時の移動速度差とは逆向きの操作力ｆ_ｈ として約１０Ｎの力が加えられていることから、切替条件IIを充足し、力制御部６１ｂによる開ループの力制御からインピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御に再び切り替わっていることもわかる。つまり、図１１からも、切替部６１ｃによる切り替わりと同時に移動速度差が計算され、開ループの力制御からインピーダンス制御へスムーズに移行できていることが確認できる。

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により検出された操作者Ｍの操作力Ｆ_ｈ 」および「カルマンフィルタ６１a2により推定されたワークＷを含めた可動部の質量ｍ、可動部の粘性抵抗ｃ、可動部の摩擦抵抗Ｆ」に基づいてモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃをインピーダンス制御するインピーダンス制御部６１ａと、「フォースセンサ５４により検出された操作者Ｍの操作力Ｆ_ｈ 」に基づいてモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを力制御する力制御部６１ｂとを備え、切替条件Ｉや切替条件IIを充足した場合、切替部６１ｃにより、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御と力制御部６１ｂによる開ループの力制御とを切り替える。これにより、例えば、障害物に接触するまではインピーダンス制御部６１ａによりモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃをインピーダンス制御し、障害物に接触した後は力制御部６１ｂによりモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを開ループで力制御することができる。また障害物から離れるまでは力制御部６１ｂによりモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを開ループで力制御し、障害物から離れた後はインピーダンス制御部６１ａによりモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃをインピーダンス制御することができる。

即ち、ハンド５７に把持されたワークＷが「障害物に接触するまで」の移動中においてはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃをインピーダンス制御し当該ワークＷが「障害物に接触した後」の停止中においてはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを開ループで力制御したり、また当該ワークＷが「障害物から離れるまで」の停止中においてはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを開ループで力制御し当該ワークＷが「障害物から離れた後」の移動中においてはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃをインピーダンス制御するといった制御アルゴリズムをアシスト制御に採ることができる。したがって、インピーダンス制御により操作性を向上させ、力制御により安全性を向上させることができる。

また、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、切替部６１ｃは、インピーダンス制御による、ハンド５７に把持されたワークＷの目標移動速度と当該ワークＷの実移動速度との差が所定値以上になった場合に、切替部６１ｃによる切替条件Ｉを充足したとして、インピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御から力制御部６１ｂによる開ループの力制御に切り替える。即ち、ハンド５７に把持されたワークＷが障害物に接触している場合には、当該ワークＷの実移動速度がほぼ０（ゼロ）になることから、時間の経過とともに当該ワークＷの実移動速度とインピーダンス制御による目標移動速度との差が拡がる。そのため、このような速度の差が所定値以上になった場合、当該ワークＷが障害物に接触して停止していると判断することができるので、ロードセルを用いることなく、当該ワークＷが障害物に接触していることを検出できる。これにより、障害物への接触を条件に、当該ワークＷが「障害物に接触するまで」の移動中においてはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃをインピーダンス制御し、当該ワークＷが「障害物に接触した後」の停止中においてはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを開ループで力制御することができる。したがって、ロードセルを備えることなく、操作性および安全性を向上することができる。またロードセルを要しないため、装置コストを低減することができる。

さらに、本実施形態に係るパワーアシスト装置２０では、切替部６１ｃは、開ループの力制御における操作者Ｍによる操作力Ｆ_ｈ の方向が、当該力制御に切り替わる直前のインピーダンス制御における操作者Ｍによる操作力Ｆ_ｈ の方向と逆向きになった場合に、切替部６１ｃによる切替条件IIを充足したとして、力制御部６１ｂによる開ループの力制御からインピーダンス制御部６１ａによるインピーダンス制御に切り替える。即ち、障害物に接触していたワークＷが当該障害物から離れる場合には、接触前に行われていたインピーダンス制御時の操作力Ｆ_ｈ の方向（障害物に近づく方向）と逆向き（障害物から離れる方向）に操作力Ｆ_ｈ が接触後に行われていた力制御時に働くことから、このように操作力Ｆ_ｈ の方向が変わったとき、当該ワークＷが障害物から離れる直前であると判断することができる。つまり、ロードセルを用いることなく、ハンド５７に把持されたワークＷが障害物から離れる直前を検出できる。これにより、障害物から離れる直前の検出を条件に、当該ワークＷが「障害物から離れるまで」の停止中においてはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃを開ループで力制御し当該ワークＷが「障害物から離れた後」の移動中においてはモータ３１ａ、３１ｂ、３１ｃをインピーダンス制御することができる。したがって、ロードセルを備えることなく、操作性および安全性を向上することができる。またロードセルを要しないため、装置コストを低減することができる。

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６１a2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。

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。

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。

このとき、θは次の式(19)により求めることができる。

θの推定値が求まれば前式(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。

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)となる。

ここで、
である。

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。

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ｘ-dot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。

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。 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。 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下方から見たものである。 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。 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(A) は、図５に示すインピーダンス制御部の具体例を示す構成図で、図６(B) は、図５に示す力制御部の具体例を示す構成図である。 インピーダンス制御と力制御との間で切替制御を行うことなく、インピーダンス制御のままでハンドを障害物（紙コップ）に接触させた場合の時間軌道の例を示す特性図である。 インピーダンス制御と力制御との間で切替制御を行うことなく、インピーダンス制御のままでハンドを障害物（紙コップ）に接触させた場合の挙動例を示す説明図で、図８(A) は図７に示す時刻α、図８(B) は図７に示す時刻β、図８(C) は図７に示す時刻γ、におけるそれぞれの様子および図８(D) は図８(B) （時刻β）における障害物の状態を示すものである。 インピーダンス制御と力制御との間で切替制御を行いハンドを障害物（紙コップ）に接触させた場合の時間軌道の例を示す特性図である。 インピーダンス制御と力制御との間で切替制御を行いハンドを障害物（紙コップ）に接触させた場合の挙動例を示す説明図で、図１０(A) は図９に示す時刻α、図１０(B) は図９に示す時刻β、図１０(C) は図９に示す時刻γ、におけるそれぞれの様子および図１０(D) は図１０(B) （時刻β）における障害物の状態を示すものである。 インピーダンス制御と力制御との間で切替制御を行いハンドを含めた操作部の一部を障害物（壁面等）に接触させた場合の時間軌道の例を示す特性図である。

符号の説明

２０…パワーアシスト装置
２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ…支柱（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）
３３…ギヤ（アシスト機構）
３４…ベルト（アシスト機構）
３５…移動輪（アシスト機構）
３６ａ…ｘ方向ロッド（アシスト機構）
３６ｂ…ｙ方向ロッド（アシスト機構）
３８…ｚ軸用ボールねじ（アシスト機構）
４０…移動部（アシスト機構）
４２ａ、４２ｂ…軸受（アシスト機構）
４３…雌ねじ管（アシスト機構）
５０…操作部（アシスト機構）
５４…フォースセンサ（操作状態検出手段）
６０…制御装置（推定手段、インピーダンス制御手段、力制御手段）
６１…ＣＰＵ（推定手段、インピーダンス制御手段、力制御手段）
６１ａ…インピーダンス制御部（インピーダンス制御手段）
６１ｂ…力制御部（力制御手段）
６１ｃ…切替部（切替手段）
Ｗ…ワーク（物体）
Ｍ…操作者
ｆ_ｈ …操作力（操作状態）
ｆ_ａ …トルク指令値

Claims (7)

1. 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、
   前記検出された操作状態および前記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をインピーダンス制御するインピーダンス制御手段と、
   前記検出された操作状態に基づいて、前記アシスト力発生手段を力制御する力制御手段と、
   所定条件を充足した場合、前記インピーダンス制御手段によるインピーダンス制御と前記力制御手段による力制御とを切り替える切替手段と、
   を備えることを特徴とするパワーアシスト装置。
2. 前記切替手段は、前記操作状態に基づく前記インピーダンス制御における前記物体の目標移動速度と前記物体の実移動速度との差が所定値以上になった場合に、前記所定条件を充足したとして、前記インピーダンス制御手段によるインピーダンス制御から前記力制御手段による力制御に切り替え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. 前記切替手段は、前記操作状態が前記操作者による操作力であって、前記力制御における前記操作者による操作力の方向が、当該力制御に切り替わる直前の前記インピーダンス制御における前記操作者による操作力の方向と逆向きになった場合に、前記所定条件を充足したとして、前記力制御手段による力制御から前記インピーダンス制御手段によるインピーダンス制御に切り替え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. 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特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーアシスト装置。
5. 前記推定手段は、最小二乗法によるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーアシスト装置。
6. 前記推定手段は、オブザーバによるものであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のパワーアシスト装置。
7. 物体を操作する操作者の操作状態を含めた所定の制御パラメータに基づいた制御により、前記操作者による前記物体の操作をアシストするパワーアシスト装置であって、
   前記物体の操作状況により、前記所定の制御パラメータに基づくインピーダンス制御から前記操作状態に基づく力制御に切り替えたり、前記操作状態に基づく力制御から前記所定の制御パラメータに基づくインピーダンス制御に切り替えることを特徴とするパワーアシスト装置。