JP2008087143A - Actuator control device - Google Patents

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Inventor
Taro Takahashi
太郎 高橋
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Sony Corp
ソニー株式会社
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To perform force control of sufficient output applicable to a robot/hand, etc. <P>SOLUTION: The force control of the sufficient output free to apply to the robot/hand, etc. is realized by doubly using an actuator high in responsiveness of an electric motor, etc. and an actuator low in responsiveness of an artificial muscle, a spring element, etc. The force control making use of the high responsiveness of the electric motor and high output characteristic of the artificial muscle and the spring element together is realized by simultaneously estimating the output of the artificial muscle, the spring element, etc. with disturbance of abrasion of a joint, etc. by making use of a disturbance observer and feeding it back to control of the electric motor. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、アクチュエータの駆動を制御するアクチュエータ制御装置に係り、特に、ロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現するアクチュエータ制御装置に関する。 The present invention relates to an actuator control device for controlling the driving of the actuator, in particular, it relates to an actuator control device which realizes the force control of sufficient power to be applicable, such as a robot hand.

現在、さまざまなタイプのロボットの開発が盛んに行なわれている。 Currently, the development of various types of robot has been actively conducted. ロボットとは、目的とする作業を自動的に行なうことができる機械又は装置のことであり、脚式、車輪型、あるいはクローラ式の移動ロボットなど、ハードウェア構成の異なるさまざまなタイプがあるが、基本的には、関節などの複数の可動部を備えている。 The robot refers to a machine or device capable of performing the tasks of interest automatically legged, wheeled, or a crawler-type mobile robot, there are various types having different hardware configurations, basically, a plurality of movable portions such as joints.

例えば、人間形のロボットであれば32個又はその前後の自由度で構成される(例えば、特許文献1を参照のこと)。 For example, if the humanoid robot composed of 32 or before and after freedom (e.g., see Patent Document 1). そして、足平や指先などの制御対象の位置や姿勢は、各関節をアクチュエータによって所定の変位量又は変位速度で作動させることにより実現される。 Then, the position and posture of the controlled object, such as a foot or finger tips, each joint by the actuator is realized by operating at a predetermined displacement amount or displacement velocity. また、ロボットが多様な外界との物理インタラクションを行ないながらタスクを遂行する場合においては、位置制御ではなく力制御系で駆動されることが望まれる。 In the case the robot performs a task while performing physical interaction with various outside world, are desired to be driven by the force control system instead of the position control.

また、ロボットの関節用アクチュエータとして、小型且つ高トルクで、しかも応答性に優れている電気モータを用いることが一般的である。 Further, as the joint actuator of the robot, a small and high torque, yet it is common to use an electric motor having excellent response. 特に、ACサーボ・モータ(若しくはDCブラシレス・モータ)は、ブラシがなく、メンテナンス・フリーであることから、無人化された作業空間での適用することができる。 In particular, AC servo motor (or DC brushless motor), the brush without because it is maintenance-free, can be applied in the unmanned working space.

電気モータは年々小型化、高出力化が進んでいる。 The electric motor every year miniaturized, and at higher output is progressing. 他方、例えばロボット・ハンドなどを製作する場合には、さらに小型にモータを構成する必要があり、十分なトルクを得ることができないという問題がある。 On the other hand, for example in the case of fabricating a like robotic hand, it is necessary to configure the motor further small, it is impossible to obtain a sufficient torque.

他方、電気モータに変わる駆動源として人工筋肉が開発されている。 On the other hand, artificial muscle has been developed as a drive source that changes the electric motor. 人工筋肉は、例えば形状記憶合金(Ti−Ni系、Cu−Zn−Al系合金など)や水素吸蔵合金アクチュエータ(例えば、非特許文献1を参照のこと)、イオン性EAP(電気駆動型ポリマー)などの高分子アクチュエータ(例えば、非特許文献2を参照のこと)などで構成される。 Artificial muscles, for example, shape memory alloys (Ti-Ni system, etc. Cu-Zn-Al alloy) and the hydrogen storage alloy actuator (e.g., see Non-Patent Document 1), ionic EAP (electric drive polymer) polymer actuator, such as (for example, non-Patent Document 2 see) composed like. 人工筋肉は、ロボット用のアクチュエータ以外にも、高齢者など筋力の弱ったヒトのための補助機械など医療・福祉目的にも使用される。 Artificial muscle, in addition to the actuators for robots, also used in auxiliary machinery such as medical and welfare purposes for human weakened the strength elderly.

バネ要素や人工筋肉などで構成されるアクチュエータは、小型でも比較的高い出力トルクを得ることができる。 The actuator consists of a spring element and artificial muscle, it is possible to obtain a relatively high output torque small. しかしながら、電気モータに比べると応答速度が低く、また出力が正確には判らないことから、精度の高い力制御を実現することが困難である。 However, as compared to the electric motor response speed is low and because the output is not known exactly, it is difficult to realize a highly accurate force control.

形状記憶合金による形状記憶効果自体は高速であるものの、熱交換速度(とりわけ冷却速度)が遅く有効でない。 Although the shape memory alloys according to the shape memory effect itself is fast, the heat exchange rate (especially the cooling rate) is slower not valid. また、水素吸蔵合金アクチュエータの場合、応答速度は水素吸蔵合金層の熱伝導率に左右され、通電から圧上昇開始までに0.5秒程度の遅延がある。 Further, when the hydrogen storage alloy actuator, the response speed is dependent on the thermal conductivity of the hydrogen storage alloy layer, there is a delay of about 0.5 seconds before pressure increase start from the energization. また、高分子アクチュエータは応答速度が秒レベルと概して遅い(非特許文献1〜2を参照のこと)。 Further, (see Non-Patent Documents 1 and 2) the polymer actuator response speed generally slow and seconds level.

特開平13−150371号公報 JP 13-150371 discloses

本発明の目的は、ロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現することができる、優れたアクチュエータ制御装置を提供することにある。 An object of the present invention, it is possible to realize a force control of sufficient power to be applicable, such as a robot hand, it is to provide excellent actuator control device.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、所定の制御対象を駆動するためのアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置であって、 The present invention has been made in consideration of the above problems, an actuator control device for controlling an actuator for driving a predetermined control object,
前記制御対象を駆動する、第1の応答速度を持つ第1のアクチュエータと、 Driving the control target, a first actuator having a first response time,
前記制御対象を駆動する、前記第1の応答速度よりも速い第2の応答速度を持つ第2のアクチュエータと、 Driving the control target, a second actuator having a quick second response speed than the first response time,
前記制御対象における目標駆動トルクに応じて前記第1のアクチュエータを駆動する第1のアクチュエータ駆動手段と、 A first actuator driving means for driving the first actuator in accordance with the target drive torque in the control target,
前記第1のアクチュエータの出力トルクを推定する出力推定手段と、 An output estimating means for estimating an output torque of the first actuator,
目標駆動トルクと前記出力推定手段により推定された出力トルクの差に応じて前記第2のアクチュエータを駆動する第2のアクチュエータ駆動手段と、 A second actuator drive means for driving the second actuator in response to the difference between the estimated output torque by the target driving torque and the estimated output means,
を具備することを特徴とするアクチュエータ制御装置である。 An actuator control device characterized by comprising a. ここで、前記第1のアクチュエータは人工筋肉又はバネ要素で構成され、前記第2のアクチュエータは電気モータで構成される。 Wherein said first actuator is constituted by an artificial muscle or spring elements, said second actuator is composed of an electric motor.

ロボットの関節駆動用として電気モータを用いることが一般的であるが、ロボット・ハンドなどのために小型異モータを構成すると十分なトルクを得ることができない。 It is common to use an electric motor for the joint drive of the robot, but it is impossible to constitute a compact different motors, such as for a robot hand to obtain a sufficient torque. 他方、電気モータに変わる駆動源として人工筋肉が開発されて折り、小型でも比較的高い出力トルクを得ることができるが、電気モータに比べると応答速度が低く、また出力が正確には判らないことから、精度の高い力制御を実現することが困難である。 On the other hand, folded been developed artificial muscle as a drive source that changes the electric motor, it is possible to obtain a relatively high output torque small, the response speed is low and the output is not known exactly compared to an electric motor from, it is difficult to realize a highly accurate force control.

そこで、本発明に係るアクチュエータ制御装置は、ロボット・ハンドの関節など、1つの制御対象の駆動用アクチュエータとして、応答速度は遅いが十分な駆動トルクを出力する人工筋肉若しくはバネ要素と、高い応答性を持つ電気モータを併用したハイブリッド・システムを導入している。 Therefore, the actuator control device according to the present invention, such as the joints of the robot hand, as one drive actuator of the controlled object, and artificial muscles or the spring element but the response speed is slow to output a sufficient driving torque, high responsiveness It has introduced a hybrid system in combination with an electric motor with.

人工筋肉の駆動トルクを直接計測することはできないが、本発明に係るアクチュエータ制御装置では、電気モータのための外乱アクチュエータを用いて、摩擦などの外乱と同時に人工筋肉の駆動トルクを推定することができる。 It is impossible to measure the driving torque of the artificial muscles directly, an actuator control device according to the present invention, by using the disturbance actuator for an electric motor, to estimate the disturbance at the same time the drive torque of the artificial muscle friction it can.

関節などの制御対象における目標駆動トルクを、第2のアクチュエータとしての電気モータでのみ発生させるときに必要となる指令値として電気モータに与える。 The target driving torque in the controlled object such as rheumatoid, gives to the electric motor as a command value which is required when only generating an electric motor as a second actuator. このとき、センサなどを用いて、制御対象の駆動状態(現在の関節角速度)を計測する。 At this time, such as by using a sensor, for measuring the driving state of the control object (current joint angular velocity). 外乱オブザーバを用いて、その瞬間に前記第1のアクチュエータで発生しているトルクを外乱トルクとともに推定することができる。 Using the disturbance observer, the torque generated by the first actuator at that moment can be estimated with a disturbance torque. そして、外乱トルクの推定結果を第2のアクチュエータとしての電気モータの指令値にフィードバックする。 Then, it feeds back the result of estimation of the disturbance torque command value of the electric motor as a second actuator.

人工筋肉のみで関節を駆動した場合には、応答速度が遅い場合がある。 When driving the joints only artificial muscle, it may slow response speed. また、電気モータのみで関節を駆動した場合には、関節トルクが不足する場合がある。 Also, when driving the joints only an electric motor, there is a case where the joint torque is insufficient. そこで、1つの制御対象を人工筋肉と電気モータを併用して駆動するハイブリッド・システムを構成するとともに、外乱トルクによる人工筋肉の駆動トルクの推定結果に基づいて、人工筋肉による駆動トルクを電気モータで補助したり、あるいは、人工筋肉と電気モータそれぞれのトルクが拮抗したりするようにする。 Therefore, along with constituting the hybrid system for driving a combination of artificial muscles and the electric motor of one of the controlled object, based on the estimation results of the driving torque of the artificial muscle due to a disturbance torque, the driving torque by artificial muscles electric motor auxiliary or, alternatively, each of the torque artificial muscles and the electric motor is so or antagonize.

これによって、ハイブリッド・システム全体としては、十分な駆動トルクを得るとともに、精度の高い力制御を実現することができる。 Thus, as a whole hybrid system, with obtaining a sufficient driving torque, it is possible to realize a highly accurate force control.

本発明によれば、人工筋肉を用いてロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現することができる、優れたアクチュエータ制御装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a force control of sufficient power to be applicable, such as a robot hand using the artificial muscle can provide excellent actuator control device.

サーボ・モータに代表される電気モータは応答性が高く、精度よく位置制御や力制御を実現することができる。 Electric motor typified by a servo-motor has high responsiveness, it is possible to realize a high precision position control and force control. しかしながら、例えばロボット・ハンドのような小型の自動機械を製作する場合、要求を十分に満たす小型で且つ高出力の電気モータは存在しないことが多い。 However, for example, when fabricating the automatic machine of compact such as a robot hand, the electric motor and the high output compact to satisfy requests sufficiently often absent. これに対し、本発明では、電気モータなどの応答性の高いアクチュエータと、人工筋肉やバネ要素などの応答性の低いアクチュエータを併用して、ロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現することができる。 In contrast, in the present invention, a highly responsive, such as an electric motor actuator, a combination of low responsiveness of the artificial muscles and the spring element actuator, the force applicable to become sufficient output to the robot hand it is possible to realize a control.

人工筋肉やバネ要素は、電気モータに比べ応答が遅く、特性は基本的に相違する。 Artificial muscles and spring element, the response compared to the electric motor late, characteristic basically different. また、人工筋肉やバネ要素による発生力を直接正確に計測できないことから、力目標値を正確に実現できないという問題がある。 Also, since no direct accurately measure the force generated by the artificial muscle and a spring element, it is impossible to accurately achieve the target force value. そこで、本発明では、外乱オブザーバを利用して、人工筋肉やバネ要素などの出力を関節の摩擦などの外乱と同時に推定するように構成されている。 Therefore, in the present invention, by using the disturbance observer is configured to estimate at the same time as the disturbance of the output, such as artificial muscles and spring elements such as friction joints. したがって、電気モータの制御にフィードバックすることで、電気モータの高応答性と人工筋肉やバネ要素の高出力特性をともに活用した力制御を実現することができる。 Therefore, by feedback control of the electric motor, can be realized together utilizing the force control the high output characteristics of the high responsiveness and artificial muscles and the spring element of the electric motor.

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。 Further objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from the detailed description based on embodiments of the invention and the accompanying drawings described below.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。 Hereinafter, described in detail embodiments of the present invention with reference to the drawings.

ロボットの関節用アクチュエータとして電気モータを用いることが一般的であるが、例えばロボット・ハンドなどを製作する場合には小型にモータを構成する必要があり、十分なトルクを得ることができない。 It is common to use an electric motor as a joint actuator for robots, for example in the case of fabricating a like robotic hand must configure the motor small, it is impossible to obtain a sufficient torque. これに対し、本発明では、電気モータなどの応答性の高いアクチュエータと、人工筋肉やバネ要素などの応答性の低いアクチュエータを併用して、ロボット・ハンドなどに適用可能となる十分な出力の力制御を実現する。 In contrast, in the present invention, a highly responsive, such as an electric motor actuator, a combination of low responsiveness of the artificial muscles and the spring element actuator, the force applicable to become sufficient output to the robot hand to achieve control.

図1Aには、電気モータと人工筋肉を併用して関節駆動を行なうハイブリッド・システムの構成例を示している。 The Figure 1A, shows a configuration example of a hybrid system that performs combination with joint drive the electric motor and artificial muscles. 人工筋肉は、電気モータに比べると応答速度が遅く、また、出力が正確に分からないため精度の高い力制御を実現することは困難である。 Artificial muscles, the slow response speed compared to the electric motor, also, it is difficult output to realize a highly accurate force control because you do not know exactly. このため、人工筋肉と電気モータを併用したハイブリッド・システム全体としても、応答が遅く、力目標値を実現できないことになる。 Therefore, as a whole hybrid system using both artificial muscles and the electric motor, so that the response is slow, it can not be realized force target value.

なお、人工筋肉の代替若しくは等価的な手段として、空気圧アクチュエータや油圧アクチュエータ、さまざまなエンジンを適用することができる。 As an alternative or equivalent means of the artificial muscle, pneumatic actuator or a hydraulic actuator, it is possible to apply different engines.

また、図1Bに示すように人工筋肉ではなくバネ要素を適用したハイブリッド・システムも考えられるが、バネ要素の出力が正確に分からないことから、精度の高い力制御を実現することは同様に困難である。 Although hybrid system is also contemplated according to the spring elements rather than artificial muscle as shown in Figure 1B, since the output of the spring element is not precisely known, likewise difficult to realize a highly accurate force control it is. なお、バネ要素としてはさまざまな弾性素材の復元力を利用して構成することができる。 As the spring element may be constructed by utilizing a restoring force of the various elastic materials.

そこで、本発明では、外乱オブザーバを利用して人工筋肉やバネ要素などの出力を関節の摩擦などの外乱と同時に推定しフィードバックすることにより、電気モータの高応答性と人工筋肉やバネ要素などの高出力性をともに活かした力制御を実現するようにした。 Therefore, in the present invention, by simultaneously estimated feedback and disturbance of the output, such as artificial muscles and the spring element by using a disturbance observer, such as friction joints, electric motors, such as high responsiveness and artificial muscles and the spring element and it is realized together utilizing the force control with high output resistance.

図2には、人工筋肉の出力に対する外乱オブザーバ並びにフィードバック機能を備えたハイブリッド・システムの機能的構成を示している。 Figure 2 shows a functional configuration of a hybrid system with a disturbance observer, as well as feedback function for the output of the artificial muscle. また、図3には、同システム10において電気モータ及び人工筋肉の各アクチュエータを駆動制御するための処理手順をフローチャートの形式で示している。 Further, FIG. 3 shows a processing procedure for controlling the driving of the actuators of the electric motor and the artificial muscle in the form of a flowchart in the system 10. 同システム10は、図3に示した処理手順を、所定の制御周期(例えば1ミリ秒)毎に実行する。 The system 10 includes a processing procedure shown in FIG. 3, it is executed every predetermined control cycle (e.g., 1 millisecond).

目標関節トルク決定部11は、例えばロボットの動作計画を司る上位アプリケーションからの指令に基づいて、制御対象となる関節部において生成すべき目標トルクを決定する(ステップS1)。 Target joint torque determination section 11, for example based on a command from a host application that governs the operation plan of the robot, determines a target torque to be generated in the joint to be controlled (step S1).

次いで、人工筋肉駆動トルク制御部12は、先行ステップS1において決定した目標トルクを実現するように、人工筋肉及び電気モータからなるハイブリッド関節部14を駆動する(ステップS2)。 Then, artificial muscle driving torque control section 12, so as to realize the target torque determined in the preceding step S1, driving the hybrid joint 14 consisting of artificial muscles and the electric motor (Step S2). 但し、人工筋肉は、応答が遅いため、実際には目標通りのトルクは出力できないことが想定される。 However, artificial muscles, due to the slow response, in fact the torque of the target street is assumed that can not be output. また、人工筋肉から出力されているトルクは直接計測することができない。 The torque that is output from the artificial muscle can not be directly measured.

ハイブリッド関節部14では、人工筋肉駆動トルク制御部12からの駆動トルク発生指示により人工筋肉が動作するとともに、電気モータ駆動トルク制御部13からの駆動トルク発生指示により電気モータが動作して、これらの協働的作用として制御対象の関節を駆動することができる。 In the hybrid joints 14, along with operating the artificial muscles by the drive torque generation instruction from the artificial muscle drive torque control unit 12, and the electric motor is operated by the drive torque generation direction from the electric motor drive torque control unit 13, these it is possible to drive the control target of the joint as a cooperative operation.

ここで、電気モータの電流指令値及びこれに伴うモータ回転角速度は回転センサなどで計測することが可能である。 Here, the motor rotational angular velocity with the current command value and to the electric motor can be measured by such as a rotary sensor. ステップS3では、現在の電気モータの電流指令値が計測される。 In step S3, the current command value of the current of the electric motor is measured.

また、関節角速度計測部15は、人工筋肉と電気モータの協働的作用により駆動した関節の角速度を計測する(ステップS4)。 Further, joint angular velocity measuring unit 15 measures the angular velocity of the drive joints by cooperative action of the artificial muscles and the electric motor (step S4).

人工筋肉駆動トルク推定部16は、ステップS3において計測された電気モータの電流指令値と、ステップS4において現在の関節角速度の計測値に基づいて、人工筋肉によって発生している関節トルクを、外乱オブザーバにより推定する(ステップS5)。 Artificial muscle driving torque estimation unit 16 includes a current command value of the electric motor measured in step S3, based on the measurement value of the current joint angular velocity in step S4, the joint torque generated by the artificial muscle, the disturbance observer estimated (step S5). このとき、関節で摩擦が発生している場合や、重力の影響なども同時に推定される。 At this time, or if the joint friction occurs, influence of gravity is estimated simultaneously.

人工筋肉によって発生している関節トルクを直接計測することはできない。 It is not possible to measure the joint torque generated by an artificial muscle directly. そこで、ハイブリッド関節部14は、電気モータで発生させたいトルクと人工筋肉によって発生させたいトルクの合計を、仮に電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値を電気モータに対する電流指令値として与える。 Therefore, hybrid joints 14 provides the current value required when the sum of the torque to be generated by the torque and the artificial muscle to be generated by the electric motor, thereby tentatively generated only by the electric motor as a current command value to the electric motor . そして、人工筋肉駆動トルク推定部16は、電気モータの外乱抑制制御のために用いられる外乱オブザーバを用いることによって、その瞬間に人工筋肉で発生しているトルクを、摩擦などに起因する外乱トルクとともに推定する。 The artificial muscle driving torque estimation unit 16, by using the disturbance observer used for disturbance suppression control of the electric motor, the torque generated by the artificial muscle at that moment, with the disturbance torque caused such friction presume.

人工筋肉が出力する駆動トルクを摩擦などに起因する外乱トルクとともに外乱オブザーバを用いて推定する仕組みについては後述に譲る。 The mechanism estimated using the disturbance observer with disturbance torque due to friction drive torque artificial muscles outputs will be described later. なお、外乱オブザーバの詳細に関しては、例えば、堀洋一、大西公平共著「応用制御工学」(丸善株式会社 1998)、島田明著「モーションコントロール」(オーム社、2004)などに記載されている。 It should be noted that, with regard to the details of the disturbance observer, for example, Yoichi Hori, Kohei Onishi co-authored "Applied Control Engineering" (Maruzen Co., Ltd. 1998), Akira Shimada "Motion Control" (Ohm-sha, 2004) have been described, for example.

そして、人工筋肉駆動トルク推定部16は、目標関節トルク決定部11からの目標トルク指令にフィードバックする。 The artificial muscle driving torque estimation unit 16 is fed back to the target torque command from the target joint torque determination section 11.

ハイブリッド関節部14が人工筋肉のみで関節を駆動した場合には、応答速度が遅い場合がある。 When the hybrid joint 14 is driven joint only artificial muscle may slow response speed. また、ハイブリッド関節部14が電気モータのみで関節を駆動した場合には、関節トルクが不足する場合がある。 Further, when the hybrid joint 14 is driven joints only an electric motor may joint torque is insufficient. そこで、ハイブリッド関節部14は、人工筋肉トルク推定部16による駆動トルクの推定結果に基づいて、人工筋肉による駆動トルクを電気モータで補助したり、あるいは、人工筋肉と電気モータそれぞれのトルクが拮抗したりするようにする。 Therefore, the hybrid joint 14, based on the estimation results of the driving torque by the artificial muscle torque estimation unit 16, or the auxiliary electric motor driving torque by artificial muscles, or each of torque artificial muscles and the electric motor is antagonized so as to or.

人工筋肉駆動トルク推定部16により推定された駆動トルクが目標トルクに対して不足している場合には(ステップS6のYes)、ハイブリッド関節部14は、ステップS5で推定された人工筋肉の駆動トルクでは目標関節トルクから不足するトルクを電気モータで補う(ステップS7)。 If the drive torque estimated by the artificial muscle driving torque estimation unit 16 is insufficient for the target torque (Yes in step S6), and hybrid joints 14, the driving torque of the artificial muscle estimated in step S5 in supplement torque deficient from the target joint torque at the electric motor (step S7).

一方、人工筋肉駆動トルク推定部16により推定された駆動トルクが目標トルクを超えている場合には(ステップS6のNo)、ハイブリッド関節部14は、電気モータで逆向きのトルクを関節に印加することで、ステップS5で推定された人工筋肉の駆動トルクが目標関節トルクから超えるトルクを調整する(ステップS8)。 On the other hand, when the drive torque estimated by the artificial muscle driving torque estimation unit 16 exceeds the target torque (No in step S6), and hybrid joints 14 applies a torque in the opposite direction to the joint by an electric motor it is, driving torque of the artificial muscle estimated in step S5 adjusts the torque exceeding the target joint torque (step S8).

図4には、外乱オブザーバを利用して人工筋肉やバネ要素などの出力を関節の摩擦などの外乱と同時に推定して、人工筋肉及び電気モータをフィードバック制御するための制御ブロック線図を示している。 FIG. 4, the output of the artificial muscles and the spring element by using the disturbance observer estimates at the same time as the disturbance such as friction joints, shows a control block diagram for the feedback control of the artificial muscles and the electric motor there.

決定された目標関節トルクに基づいて、電流指令値i aref (i a )が、電気モータ及び人工筋肉にそれぞれ入力される。 Based on the determined target joint torque current command value i aref (i a) is inputted to the electric motor and artificial muscles. すなわち、所望する関節トルクを電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値i aが電気モータに対する電流指令値として与えられる。 That is, the current value i a needed when generating only an electric motor the joint torque desired is given as the current command value for the electric motor.

このとき、電気モータには、電流指令値i aと現実のトルク定数K tに応じたトルクT Mが発生する。 In this case, the electric motor, the torque T M corresponding to the current command value i a and the actual torque constant K t occur. そして、当該フィードバック制御系としては、電流指令値i aとトルク定数のノミナル値K tnに応じたトルクT Mnを見積もることができる。 Then, Examples of the feedback control system, it is possible to estimate the torque T Mn corresponding to the nominal value K tn of the current command value i a and the torque constant. また、人工筋肉には、電流指令値i aに応じたトルクT Sが発生する。 In addition, the artificial muscle, the torque T S in accordance with the current command value i a generated.

電気モータには、電流指示値i aに応じた現実の発生トルクT Mとともに、人工筋肉による発生トルクT Sと、摩擦などに起因する外乱トルクT Dが加わり、これらの合計トルクによって電気モータの現実の機械モデル1/(Js+B)が駆動され、モータの回転角速度dθ/dtがセンサにより観測される。 The electric motor, the reality with the generated torque T M of the corresponding to the current instruction value i a, and the generated torque T S by artificial muscles, joined by the disturbance torque T D caused such friction, the electric motor by these total torque real machine model 1 / (Js + B) is driven, the rotation angular velocity d [theta] / dt of the motor is observed by the sensor. 但し、Jは電気モータが持つ慣性モーメントであり、Bは電気モータの粘性抵抗係数である。 However, J is the moment of inertia possessed by the electric motor, B is the viscous drag coefficient of the electric motor.

一方、電気モータの現実の慣性モーメントJや粘性抵抗係数Bは不知であり、これらのノミナル値J n並びにB nしか分からない。 On the other hand, the actual moment of inertia J and the viscous resistance coefficient B of the electric motor is unknown, only know these nominal values J n and B n. そして、計測されたモータ回転角速度に対し電気モータのノミナルの機械モデル1/(J n s+B n )を逆算することで、電気モータに印加されたノミナルのトルクが算出される。 Then, by relative motor rotational angular velocity is measured to calculate back the nominal machine model 1 / electric motor (J n s + B n) , the nominal torque is applied to the electric motor is calculated. ここで求まるノミナルのトルクには、電流指令値i aに応じて電気モータに発生するトルクと、摩擦などに起因する外乱トルクT Dと、人工筋肉による発生トルクT Sが含まれる。 The nominal torque obtained here, the torque generated in the electric motor in accordance with a current command value i a, and the disturbance torque T D caused such friction include torque T S by artificial muscles.

一方、上述したように、電流指令値i aとトルク定数のノミナル値K tnに応じたトルクT Mnが見積もられている。 On the other hand, as described above, the torque T Mn corresponding to the nominal value K tn of the current command value i a and the torque constant are estimated. 電気モータに印加されたノミナルのトルクから、電流指令値i aに応じた電気モータのノミナルの発生トルクK tnを減算することで、摩擦などに起因する外乱トルクT Dと、人工筋肉による発生トルクT Sが推定される。 From the applied nominal torque to the electric motor, by subtracting the nominal torque K tn electric motor corresponding to the current command value i a, and the disturbance torque T D caused such friction, the torque generated by the artificial muscle T S is estimated. 図示の制御ブロック線図では、ローパス・フィルタ(ω C /(s+ω C ))を通して高周波成分を除去して、T D +T Sの推定値を得ている(但し、ω Cはカットオフ周波数)。 In the control block diagram shown, a high-frequency component is removed through the low-pass filter (ω C / (s + ω C)), to obtain an estimate of T D + T S (however, omega C is the cutoff frequency).

このようにして、外乱オブザーバを利用して、人工筋肉の出力トルクT Sを関節の摩擦などの外乱トルクT Dと同時に推定することができる。 In this way, by using the disturbance observer, the output torque T S of the artificial muscle can be estimated at the same time as the disturbance torque T D, such as friction joints. 電気モータに印加されたトルクのノミナル値が目標トルクのノミナル値に不足する場合には、T D +T Sの推定値は負の値となる。 If the nominal value of the applied torque to the electric motor is insufficient to nominal value of the target torque, the estimated value of T D + T S becomes a negative value. また、電気モータに印加されたトルクのノミナル値が目標トルクのノミナル値を超えるときには、T D +T Sの推定値は正の値となる。 Also, the nominal value of the applied torque to the electric motor when exceeding the nominal value of the target torque, the estimated value of T D + T S has a positive value.

そして、T D +T Sの推定値を電気モータのトルク定数のノミナル値K tnで逆算することで、目標関節トルクから決定される電流指令値i arefに対するフィードバック電流が求まり、このフィードバック電流を電流指令値i arefから減算して、電気モータへの供給電流i aが求められる。 Then, by calculating back the estimate of T D + T S at the nominal value K tn the torque constant of the electric motor, Motomari feedback current to the current command value i aref determined from the target joint torque, the feedback current current command It is subtracted from the value i aref, the supply current i a to the electric motor is determined.

このように、図4に示した制御フィードバック系では、目標関節トルクを電気モータで発生させたいトルクと人工筋肉によって発生させたいトルクの合計で実現するように構成されている。 Thus, in the control feedback system shown in FIG. 4, and is configured to provide a total torque to be generated by the torque and artificial muscles that you want to generate a target joint torque at the electric motor. この目標関節トルクを電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値を電気モータに対する電流指令値として与える。 It gives the current value required when only generating this target joint torque in the electric motor as a current command value to the electric motor. このとき、電気モータの外乱抑制制御のために用いられる外乱オブザーバを用いることによって、その瞬間に人工筋肉で発生しているトルクを、摩擦などに起因する外乱トルクを含んだ外乱トルクとして推定することができる。 At this time, by using the disturbance observer used for disturbance suppression control of the electric motor, estimating the torque generated by the artificial muscle at that moment, as a disturbance torque including the disturbance torque caused such friction can. そして、推定された外乱トルクをキャンセルするように、電気モータへの供給電流をフィードバック制御することで、ハイブリッド・システム全体としては、十分な駆動トルクを得るとともに、精度の高い力制御を実現することができる。 Then, so as to cancel the estimated disturbance torque, the current supplied to the electric motor by feedback control, as a whole hybrid system, with obtaining a sufficient driving torque to realize the highly accurate force control can.

電気モータは、外乱オブザーバによる関節駆動トルクの推定結果に基づいて、人工筋肉による駆動トルクを電気モータで補助したり、あるいは、人工筋肉と電気モータそれぞれのトルクが拮抗したりするように動作する。 Electric motor, based on the estimation result of the joint driving torque by the disturbance observer, or assisted by an electric motor drive torque by artificial muscles, or each of torque artificial muscles and the electric motor operates to or antagonize.

人工筋肉の応答速度は、電気モータに比べて極めて遅い。 The response speed of the artificial muscle is very slow compared to the electric motor. 人工筋肉のみで関節を駆動した場合には、制御指令を発してから人工筋肉による駆動トルクが目標トルクに到達するまでには長い時間を要する。 When driving the joints only artificial muscle, it takes a long time from issues a control command to the driving torque by the artificial muscle reaches the target torque. このため、図5に示すように、人工筋肉の出力が定常化する過渡期では、目標トルクと人工筋肉の駆動トルクを比較すると、駆動トルクが不足する。 Therefore, as shown in FIG. 5, in the transition period in which the output of the artificial muscles steady state, when comparing the driving torque of the target torque and the artificial muscle, the drive torque is insufficient.

一方、電気モータの応答速度は非常に速いが、ロボット・ハンドを製作する場合のようにスペースや重量が制限されると、トルクが不足することが多い。 On the other hand, the response speed of the electric motor is very fast, the space and weight are limited, as in the case of making a robot hand, torque is often insufficient. このため、図6に示すように、目標トルクの決定とともに電気モータは定常的なトルクを出力するが、目標トルクと電気モータの駆動トルクを比較すると、駆動トルクが不足したままとなる。 Therefore, as shown in FIG. 6, the electric motor with the determination of the target torque outputs a steady torque, comparing the target torque and the driving torque of the electric motor, and remains the driving torque is insufficient.

本実施形態に係るハイブリッド・システムでは、目標関節トルクを電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値を電気モータに対する電流指令値として与えるようになっている。 A hybrid system according to the present embodiment is adapted to provide a current command value to the electric motor current value required when generating the target joint torque only an electric motor. 図7には、この場合の人工筋肉と電気モータそれぞれの動作特性を示している。 Figure 7 shows the artificial muscle and electric motors each operating characteristics of this case. 人工筋肉の応答が遅いために駆動トルクが不足するときには、図7に示すように、電気モータが素早く作動してその不足分を補償する。 When insufficient driving torque due to the slow response of the artificial muscle, as shown in FIG. 7, the electric motor to compensate for the shortage in operation quickly. よって、図8に示すように、人工筋肉による駆動トルクと電気モータによる駆動トルクを加算した駆動トルクの合計により目標トルクを実現することができる。 Therefore, as shown in FIG. 8, it is possible to achieve the target torque by the sum of the driving torque by adding the drive torque by the drive torque and the electric motor by the artificial muscle. この場合、人工筋肉で発生する駆動トルクの方向と電気モータで発生する駆動トルクの方向は図9に示すように同一の方向となり、電気モータが人工筋肉の駆動を補助している格好となる。 In this case, the direction of the drive torque generated in the direction and the electric motor of the drive torque generated by the artificial muscle is made the same direction as shown in FIG. 9, the dressed electric motor is assisting the driving of the artificial muscular.

他方、人工筋肉の駆動トルクにオーバーシュートが生じたり、目標トルクが急に減少したりした場合には、図10に示すように、人工筋肉による駆動トルクが過大となる。 On the other hand, overshoot drive torque or caused an artificial muscle, if the target torque is or decreased suddenly, as shown in FIG. 10, the driving torque becomes excessive due to the artificial muscle. 本実施形態に係るハイブリッド・システムでは、人工筋肉により発生する過大な駆動トルクを相殺するために、図10中の点線で示すように、電気モータで逆向きの駆動トルクを発生させる。 A hybrid system according to the present embodiment, in order to offset the excessive driving torque generated by the artificial muscle, as indicated by a dotted line in FIG. 10, to generate a drive torque in the reverse direction by an electric motor. この結果、図11に示すように、人工筋肉による駆動トルクと電気モータによる駆動トルクの合計が目標トルクに一致するように制御することができる。 As a result, it is possible to control as shown in FIG. 11, the sum of the driving torque by the driving torque and the electric motor by the artificial muscle coincides with the target torque. この場合、人工筋肉で発生する駆動トルクの方向と電気モータで発生する駆動トルクの方向は図12に示すように逆方向となり、電気モータが人工筋肉の駆動と拮抗している格好となるが、制御系での切り替えを行なうことなく、補助する場合(図9を参照のこと)と統一的に制御することができる。 In this case, the direction of the drive torque generated in the direction and the electric motor of the drive torque generated by the artificial muscle becomes reverse direction as shown in FIG. 12, the electric motor is dressed that antagonizes the driving of the artificial muscle, without performing the switching of the control system, it is possible to uniformly control the case (see FIG. 9) to assist. 図9と図12の相違は、図4に示したブロック線図において、電流フィードバックの符号が反転することだけである。 Differences in Figure 9 and Figure 12, block diagram shown in FIG. 4, it is only the sign of the current feedback is inverted.

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。 Above with reference to specific embodiments, the present invention has been described in detail. しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。 However, it is obvious that those skilled in the art without departing from the scope of the present invention can make modifications and substitutions of the embodiments.

本明細書では、ロボット・ハンドに適用した場合を例示して本発明の実施形態について説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。 In the present specification, have been described illustrated embodiment of the present invention is applied to a robot hand, the gist of the present invention is not limited thereto. 制御対象を高い応答性により高精度で力制御を行なう必要があるとともに電気モータでは十分なトルクを得ることができないようなさまざまな自動機械において、同様に本発明を適用することができる。 The controlled object by a high responsiveness at a sufficient variety of automatic machine that can not be obtained torque electric motor with a high accuracy is required to perform the force control can be applied similarly to the present invention.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。 In short, the foregoing discloses the present invention in the form of illustration and should not be construed as limiting the contents of this specification. 本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。 In order to determine the scope of the invention should be referred to the claims.

図1Aは、電気モータと人工筋肉を併用して関節駆動を行なうハイブリッド・システムの構成例を示した図である。 Figure 1A is a diagram showing a configuration example of a hybrid system that performs combination with joint drive the electric motor and artificial muscles. 図1Bは、電気モータとバネ要素を併用して関節駆動を行なうハイブリッド・システムの構成例を示した図である。 Figure 1B is a diagram showing a configuration example of a hybrid system that performs combination with joint drive the electric motor and the spring element. 図2は、人工筋肉の出力に対する外乱オブザーバ並びにフィードバック機能を備えたハイブリッド・システムの機能的構成を示した図である。 Figure 2 is a diagram showing a functional configuration of a hybrid system with a disturbance observer, as well as feedback function for the output of the artificial muscle. 図3は、図2に示したシステムにおいて電気モータ及び人工筋肉の各アクチュエータを駆動制御するための処理手順を示したフローチャートである。 Figure 3 is a flowchart illustrating a processing procedure for controlling the driving of the actuators of the electric motor and the artificial muscle in a system shown in FIG. 図4は、外乱オブザーバを利用して人工筋肉やバネ要素などの出力を関節の摩擦などの外乱と同時に推定して、人工筋肉及び電気モータをフィードバック制御するための制御ブロック線図である。 Figure 4 is an output such as artificial muscles and the spring element by using the disturbance observer estimates at the same time as the disturbance such as friction joints, is a control block diagram for the feedback control of the artificial muscles and the electric motor. 図5は、人工筋肉が制御指令を受け取ってから駆動トルクが目標トルクに到達するまでの動作特性を示した図である。 Figure 5 is a diagram drive torque showing the operation characteristic to reach the target torque from the artificial muscle receives a control command. 図6は、電気モータが制御指令に応じた駆動トルクを出力する動作特性を示した図である。 Figure 6 is a diagram showing an operation characteristic of outputting a driving torque electric motor according to the control command. 図7は、本発明に係るハイブリッド・システムにおいて、目標関節トルクを電気モータでのみ発生させるときに必要となる電流値を電気モータに対する電流指令値として与えたときの、人工筋肉と電気モータそれぞれの動作特性を示した図である。 Figure 7 is a hybrid system according to the present invention, when applied as a current command value for the electric motor current value required when generating the target joint torque only an electric motor, artificial muscles and the electric motor of each is a diagram showing the operating characteristics. 図8は、本発明に係るハイブリッド・システムにおいて、人工筋肉の応答が遅いために不足する駆動トルクを電気モータで補償して高い精度で目標トルクを実現する動作特性を示した図である。 Figure 8 is a hybrid system according to the present invention and shows the operating characteristics to achieve the target torque with high accuracy by compensating for the driving torque to be insufficient for the response of the artificial muscle is slow electric motor. 図9は、人工筋肉で発生する駆動トルクの方向と電気モータで発生する駆動トルクの方向となり、電気モータが人工筋肉の駆動を補助している様子を示した図である。 9, becomes the direction of the drive torque generated in the direction and the electric motor of the drive torque generated by the artificial muscle, the electric motor is a diagram showing a state that assists the driving of the artificial muscular. 図10は、本発明に係るハイブリッド・システムにおいて、人工筋肉の駆動トルクにオーバーシュートが生じたり、目標トルクが急に減少したりした場合における人工筋肉と電気モータそれぞれの動作特性を示した図である。 Figure 10 is a hybrid system according to the present invention, overshoot drive torque or caused an artificial muscle, a diagram showing an artificial muscle and electric motors each operating characteristics in the case where the target torque is or decreased abruptly is there. 図11は、本発明に係るハイブリッド・システムにおいて、人工筋肉により発生する過大な駆動トルクを電気モータによって相殺することによって高い精度で目標トルクを実現する動作特性を示した図である。 Figure 11 is a hybrid system according to the present invention and shows the operating characteristics to achieve the target torque with high accuracy by offsetting the excessive driving torque generated by the artificial muscle by an electric motor. 図12は、人工筋肉で発生する駆動トルクの方向と電気モータで発生する駆動トルクの方向が逆方向となり、電気モータが人工筋肉の駆動と拮抗している様子を示した図である。 Figure 12 is a diagram direction of the drive torque generated in the direction and the electric motor of the drive torque generated by the artificial muscle becomes reverse, electric motor showing a state that antagonizes the driving of the artificial muscular.

符号の説明 DESCRIPTION OF SYMBOLS

10…ハイブリッド・システム 11…目標関節トルク決定部 12…人工筋肉駆動トルク制御部 13…電気モータ駆動トルク制御部 14…ハイブリッド関節部 15…関節角速度計測部 16…人工筋肉駆動トルク推定部 10 ... hybrid system 11 ... target joint torque determining section 12 ... artificial muscle driving torque controller 13 ... electric motor drive torque control unit 14 ... hybrid joints 15 ... joint angular velocity measuring unit 16 ... artificial muscle driving torque estimation unit

Claims (5)

  1. 所定の制御対象を駆動するためのアクチュエータを制御するアクチュエータ制御装置であって、 An actuator control device for controlling an actuator for driving a predetermined control object,
    前記制御対象を駆動する、第1の応答速度を持つ第1のアクチュエータと、 Driving the control target, a first actuator having a first response time,
    前記制御対象を駆動する、前記第1の応答速度よりも速い第2の応答速度を持つ第2のアクチュエータと、 Driving the control target, a second actuator having a quick second response speed than the first response time,
    前記制御対象における目標駆動トルクに応じて前記第1のアクチュエータを駆動する第1のアクチュエータ駆動手段と、 A first actuator driving means for driving the first actuator in accordance with the target drive torque in the control target,
    前記第1のアクチュエータの出力トルクを推定する出力推定手段と、 An output estimating means for estimating an output torque of the first actuator,
    目標駆動トルクと前記出力推定手段により推定された出力トルクの差に応じて前記第2のアクチュエータを駆動する第2のアクチュエータ駆動手段と、 A second actuator drive means for driving the second actuator in response to the difference between the estimated output torque by the target driving torque and the estimated output means,
    を具備することを特徴とするアクチュエータ制御装置。 Actuator control apparatus characterized by comprising a.
  2. 前記第1のアクチュエータは人工筋肉又はバネ要素で構成され、前記第2のアクチュエータは電気モータで構成される、 Said first actuator is constituted by an artificial muscle or spring elements, said second actuator is composed of an electric motor,
    ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。 The actuator control device according to claim 1, characterized in that.
  3. 前記出力推定手段は、外乱オブザーバにより前記第1のアクチュエータの出力トルクを推定する、 The output estimation means estimates the output torque of the first actuator by the disturbance observer,
    ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。 The actuator control device according to claim 1, characterized in that.
  4. 前記制御対象の駆動状態を計測する状態計測手段をさらに備え、 Further comprising a state measurement means for measuring the driving state of the controlled object,
    前記出力推定手段は、前記第2のアクチュエータ駆動手段による前記第2のアクチュエータへの制御指令値と、前記状態計測手段による計測結果に基づいて、前記第1のアクチュエータの出力トルクを推定する、 The output estimation unit, and a control command value for the second actuator by the second actuator drive means, based on the measurement result by the state measurement means, for estimating the output torque of the first actuator,
    ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。 The actuator control device according to claim 1, characterized in that.
  5. 前記第2のアクチュエータで発生させたいトルクと、前記第1のアクチュエータによって発生させたいトルクの合計を、前記第2のアクチュエータでのみ発生させるときに必要となる指令値として前記第2のアクチュエータに与え、前記出力推定手段は、外乱オブザーバを用いて、その瞬間に前記第1のアクチュエータで発生しているトルクを外乱トルクとともに推定する、 A torque to be generated by said second actuator, giving a total of torque to be generated by said first actuator, said second actuator as a command value which is required when only be generated in the second actuator the output estimation means uses a disturbance observer to estimate the torque generated by the first actuator at that moment with the disturbance torque,
    ことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ制御装置。 The actuator control device according to claim 1, characterized in that.
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