JP2008097394A - パワーアシスト制御システム及びパワーアシスト装置 - Google Patents

Abstract

【課題】システム全体の性能を低下させることなく、入力信号にノイズを有するような制御システムにおいて制御を安定化させることができる制御システムを提供する。
【解決手段】オペレータＨの動作を検知する動作検知部４，５３によって入力された入力信号によってユーザー制御対象３，５１が制御され、そのユーザー制御対象３，５１からのフィードバック信号を受けて前記オペレータＨから前記ユーザー制御対象３，５１への操作量の入力を補助するパワーアシスト制御則５、５２を有するパワーアシストシステム２に、前記オペレータＨから前記ユーザー制御対象３，５１へ伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタ１１を備えたパワーアシスト制御システム１において、前記入力信号が前記ユーザー制御対象へ入力される制御信号経路中に前記制御信号経路中に発生するノイズをカットするノイズカッター６を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、機械、電気・電子等の分野において、人間からの動作を入力値として当該人間からの動作と同じ動作を行う制御システム及びパワーアシスト装置に関し、例えば、ロボット、工作機械等に広く適用可能である。

制御システムの安全を確保するには、制御対象が「いかなる条件下でも不安定にならない（暴走しない）」ことを保証する必要がある。そのために、制御システムにはハードウェア的なリミッタ（ハードウェアリミッタ）を付加することが行われている。

すなわち、一般的な制御システムにおけるハードウェアリミッタの作動を決定するための、ユーザー制御対象の安定性の評価指標は、作動領域の制限やアクチェエータへの電流制限、速度制限などであり、安定、不安定の区別が大雑把である。また、一旦リミッタが作動するとその後のシステムは制御下から逸脱し、二次的な災害を引き起こす可能性もある。たとえ災害を引き起すまでに至らなくとも、システムの再起動に多大な手間を要することが多い。さらに、ユーザー制御対象に直接影響する外乱による不安定化にも、やはり対処不能である。

このような問題を解消するために特許文献１に、パワーアシスト制御則によってユーザー制御対象が制御される既存のシステムにおいて、前記ユーザー制御対象からのフィードバック信号を受けて前記ユーザー制御対象へ操作量を入力するための内部制御則と、前記既存のシステムを内包する被モニタシステムの入出力から被モニタシステムの受動性を観測する受動性モニタとを備え、制御対象の安定性を評価解析できるようにした制御システムが開示されている。

特許文献１に開示の制御システムは、制御システムの受動性をモニタすることでその安定性を定量的に評価する機能（受動性モニタ）と、不安定な挙動を検知した場合に、制御を遮断することなく不安定な挙動のみを抑制し得るインテリジェントなリミッタ機能（ソフトウェアリミッタ）を既存のシステムへ付加するシステム構成としたものである。

また、特許文献１は、仮想パワーリミッタシステムについても開示されており、この仮想パワーリミッタシステムを用いれば、ロボットを用いて人間のパワーアシストを行なうパワーアシストシステムにおいても、人間の動特性が未知であるにもかかわらず、パワーアシストロボットから人間に流出するパワーを制限することができ、人間に対する安全性を確保することが可能となる。ここで、パワーアシストシステムとは、人間など動物の操作力をセンサで測定し，それに応じた力をアクチュエータが発生することでアシストを行うシステムである。

図５は、特許文献１に開示されている仮想パワーリミッタシステムを搭載したパワーアシストシステムの制御システムを示す構成図である。既存のパワーアシストシステム１５０の入出力から、パワーアシストシステム１５０の能動性を観測する仮想パワーモニタを備えている。

そして、人間の動作という未知の動特性をフィードバックループに含むために安定性を保証することは難しいとされているところ、パワーアシストシステム１５０から人間（オペレータＨ）に流出するパワーを制限することができ、仮想パワーリミッタによって人間に対する安全性を確保することができる。
ＷＯ２００４／０７９４６２号公報

この制御システムは、仮想パワーリミッタは、例えば人間が突然グリップを素早く動かすなどの突発的な不意の外乱による制御のオーバーフローをカットすることが可能である。しかし、システム全体に定常的に発生する振動のようなノイズをカットすることは困難である。

すなわち、オペレータである人間の動作を入力として、ユーザー制御対象を動作させるものであるため、入力信号自体にノイズを有する。また、ユーザー制御対象を駆動させるためのアクチュエータや制御システムの使用環境などからは、ノイズが発生する。したがって、ノイズを含む入力に基づいてパワーアシストシステム１５０の駆動制御がされ、パワーアシストシステム１５０の入出力信号をモニタすると、状況によって過制御の状態が発生する。

例えば、オペレータの入力がサンプリングされてからユーザー制御対象１０３が動くまでの遅延中に、同期の逆位相の信号ノイズが入力されたとき、前記制御システムのモニタが監視しているパワーアシストシステムへの入力１５０とパワーアシストシステム１５０からの出力信号とが定常波となって振動を起こし、ユーザー制御対象１０３は制御不能となる。

また、例えば、このパワーアシストシステム１５０が人間に装着して人間の動作をアシストするようなものである場合、このようなユーザー制御対象１０３の振動は、直接人間の手足の振動につながり、当該振動がさらに制御システム中に入力される。したがって、当該振動は、累積的に大きくなり、オペレータの安全上問題を生じる可能性があった。

この問題は、システムのゲインを常時落としたままにすることにより解消することができる。よって、仮想パワーリミッタだけでシステムを安定化させようとすると、システム全体の性能を著しく低下させ、システムが本来持っている性能を使い切ることが困難になるという問題があった。

したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、上記問題を解決し、システム全体の性能を低下させることなく、入力信号にノイズを有するような制御システムにおいて制御を安定化させることができる制御システムを提供することである。

本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成のパワーアシスト制御システムを提供する。本発明のパワーアシスト制御システムは、システム全体に定常的に発生する振動のようなノイズをカットさせようとすると、常時、システムのゲイン（例えばセンサの感度）を落としたままとなり、システムが本来持っている性能を使い切ることができなくなるという従来の制御システム固有の問題に鑑み、仮想パワーリミッタを実用的に使用するために、仮想パワーリミッタとは別に定常的に発生するノイズを低減する仕組みを設けた点に特徴を有する。

本発明の第１態様によれば、オペレータの動作を検知する動作検知部によって入力された入力信号によってユーザー制御対象が制御され、そのユーザー制御対象からのフィードバック信号を受けて前記オペレータから前記ユーザー制御対象への操作量の入力を補助するパワーアシスト制御則を有するパワーアシストシステムに、前記オペレータから前記ユーザー制御対象へ伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタを備えたパワーアシスト制御システムにおいて、
前記動作検知部から前記ユーザー制御対象に至る制御信号経路中に発生するノイズをカットするノイズカッターを備えることを特徴とする、パワーアシスト制御システムを提供する。

本発明の第２態様によれば、前記パワーアシスト制御システムは、前記ユーザー制御対象から前記動作検知部への負帰還経路を備え、
前記ノイズカッターは、前記パワーアシストシステム出力から前記ユーザー制御対象入力への負帰還経路中に設けられていることを特徴とする、第１態様のパワーアシスト制御システムを提供する。

本発明の第３態様によれば、前記ノイズカッターは、前記オペレータから前記動作検知部への入力のうち、所定の周波数の振動に伴う動作をカットする、弾性を有するダンパで構成されていることを特徴とする、第１又は第２態様のパワーアシスト制御システムを提供する。

本発明の第４態様によれば、前記ダンパは、前記センサの前記オペレータとの動作点に設けられていることを特徴とする、第３態様のパワーアシスト制御システムを提供する。ここで動作点とは、センサを操作するオペレータの動きを入力する部分であり、具体的にはセンサとオペレータとの間の部分である。

本発明の第５態様によれば、前記ダンパは、前記動作検知部の入力を信号化する箇所に設けられていることを特徴とする、第３態様のパワーアシスト制御システムを提供する。

本発明の第６態様によれば、ノイズカッターは、前記オペレータの動作検知部への入力信号のうち、所定の周波数の入力信号をカットする、フィルタで構成されていることを特徴とする、第１又は第２態様のパワーアシスト制御システムを提供する。

本発明の第７態様によれば、前記ノイズカッターは、前記ユーザー制御対象に設けられ、所定の周波数の振動に伴って動作される前記ユーザー制御対象の補助量すなわち、システムから見た、ゲインをカットする、弾性を有するダンパで構成されていることを特徴とする、第１又は第２態様のパワーアシスト制御システムを提供する。

上記各態様において、所定の周波数は、５０Ｈｚ〜１５０Ｈｚであることが好ましい。

本発明の第８態様によれば、オペレータの動作を検知するセンサと、前記センサを備え前記オペレータの動作に合わせて駆動可能に構成されたアームと、前記センサによって入力された入力信号によって駆動するアクチュエータと、オペレータの動作を検知するセンサから入力された入力信号によって前記オペレータから前記アームへの動作を補助するようにアクチュエータを駆動させる制御部とを備えたパワーアシスト装置であって、
前記センサまたはアクチュエータに、所定の周波数の振動を吸収し前記センサによって当該振動によるノイズの入力がされないようにする振動吸収ダンパを備えることを特徴とするパワーアシスト装置を提供する。

本発明の第９態様によれば、前記制御部は、前記センサから前記アクチュエータへ伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタを備えることを特徴とする、第８態様のパワーアシスト装置を提供する。

本発明の第１０態様によれば、前記所定の周波数は、５０Ｈｚ〜１５０Ｈｚであることを特徴とする、第８態様のパワーアシスト装置を提供する。

本発明によれば、入力段階で発生する入力信号のノイズをカットすることができるため、仮想パワーリミッタを用いた制御システムにおいて、システム全体の性能を低下させることなく、制御動作を安定化させることができる。

また、ノイズ源から発生したノイズとオペレータによる入力による入力信号を周波数に着目して分離し、５０Ｈｚ〜１５０Ｈｚの範囲の周波数の振動のみをカットすることにより、システムの制御を安定化させることができる。

以下、本発明の一実施形態に係るパワーアシスト制御システムについて、図面を参照しながら説明する。

図１Ａは、本発明のパワーアシスト制御システムの実施形態にかかる制御ブロックの基本的な構成を示す図である。図１Ｂは、図１Ａのパワーアシスト制御システムの変形例を示す図である。図１Ａに示す制御システム１は、任意のパワーアシスト制御則５によってユーザー制御対象３が制御される被モニタシステム２内包する被モニタシステム２に、ユーザー制御対象３へ操作量を入力し得るオペレータ動作検知部４と、被モニタシステム２の入出力から被モニタシステムの受動性を観測する手段たる受動性モニタ１１とからなるモニタシステム１０と、前記被モニタシステム２とモニタシステム１０との間に生じたノイズをカットするノイズカッター６を備える。

ユーザー制御対象３からの出力ｙは、仮想パワーモニタ１１及びオペレータ動作検知部４に入力される。

オペレータ動作検知部４には、目標値入力ｙ_ｄが入力される。オペレータ動作検知部４からの操作量ｕ_ｉｎｔは、仮想パワーモニタ１１の他、ノイズカッター６によって特定の周波数のノイズがカットされた状態でユーザー制御対象３へ入力される。

パワーアシスト制御則５へは、外部よりユーザーが目標値ｙ_ｄを実現するために定める入力Ｓ、またユーザー制御対象３からの任意のフィードバックｆ_ｂが入力される。ユーザー制御対象３へは、パワーアシスト制御則５からの出力（操作量）ｕ_ｕｓｒと、ノイズカッター６からの出力とが共に入力される。

また、図中のパワーアシスト制御則５からユーザー制御対象３への操作量ｕ_ｕｓｒと、オペレータ動作検知部４からユーザー制御対象３への操作量ｕ_ｉｎｔ（ただし、ノイズカッター６にてノイズが減衰された信号である。）は、同じ物理的手段でユーザー制御対象に入力されても、異なる物理的手段で入力されてもよい。

なお、図１Ｂのパワーアシスト制御システム１ｂは、ノイズカッター６がユーザー制御対象３からの出力ｙ中に含まれるノイズをカットして仮想パワーモニタ１１及びオペレータ動作検知部４に入力される点において異なる。

図１Ａまたは図１Ｂのパワーアシスト制御システムを搭載したパワーアシスト装置５０として、オペレータの動きに合わせて追従し、オペレータの動作をアシストする装置を考える。図２は、図１Ａのパワーアシスト制御システムを有するパワーアシスト装置の一例としての構成を示す概略図である。

このパワーアシスト装置５０は、オペレータ動作検知部４としての動作検知部５３から入力されたオペレータの動作に関する信号及び、ロボットアーム５１の力情報を検知する力検知部５２からの力情報としてのパワーアシスト制御則５に基づいて、ユーザー制御対象３としてのモータ５５の駆動量を制御して、ロボットアーム５１への連結部材５６を介するロボットアーム５１を動作させ、その先端の作用部５４に連結された部材を上下移動させる作業ロボットである。力検知部５２は、ロボットアーム５１と連結部材５６の連結部に設けられている。

ロボットアーム５１には、上記のように動作検知部５３が設けられているため、ロボットアーム５１の動作（すなわちユーザー制御対象３としてのモータ５５の動作）は、動作検知部５３からの出力信号及びパワーアシスト制御測としての力検知部５２にフィードバックされることとなる。

なお、図１Ａに示したパワーアシスト制御システムのうち、仮想パワーモニタ１１は、アナログ若しくはデジタル電子回路からなるハードウェアの形で、若しくはマイクロコンピュータ等の演算装置に格納されたプログラムからなるソフトウェアの形で、又はこれらを組み合わせた形で構成されている。これらの構成は制御部２０としてパワーアシストシステム５０に設けられている。また、制御部２０は、以下に説明するノイズカッター６としてのダンパの弾力を調整する機構を備えていてもよい。

動作検知部５３は、オペレータＨによって動作されたトルクベクトルを電気信号に変換し、当該信号に基づいてモータ５５を駆動する。外部からの制御に対して正確に素早くロボットアームを追従させるためには、パワーアシスト装置の構造材は十分な剛性を持ったものを用いることが好ましく、また、動作検知部５３に用いられるセンサなども十分に感度の高いものを用いる必要がある。しかし、パワーアシスト装置の本体部を十分な剛体で構成すると、モータ５５や使用環境内での振動などのノイズ源からでたノイズが動作検知部５３のセンサに伝わってしまい、誤操作を起こす原因となる。なお、ここでのノイズとは、電気的あるいは電磁的なノイズを意味するのではなく、オペレータ、装置の設備、装置の使用環境などから装置自体に伝達される物理的な信号を意味している。

したがって、このパワーアシスト装置においては、ノイズによる誤操作を解決するために、ノイズカッター６を設けている。ノイズカッター６は、例えば、５０Ｈｚ〜１５０Ｈｚ程度の振動がノイズとして伝わってきていることに着目し、これらの所定範囲の周波数の振動を効果的に減衰させるダンパ機構である。

具体的には、ダンパの構成としては、ゴム、ウレタン、金属バネなどの弾性を持った固体や、一定あるいは変化する容積の中に詰め込まれた粘性液体であってもよい。また、液体の場合、ＥＲ流体、ＭＲ流体などの粘性を制御・調整できる液体を用いれば、パワーアシストシステム動作中のノイズによって、減衰させる周波数を変更させることができ、システムの性能を十分に引き出すことが可能である。ダンパの粘性調整は、使用者の特性や、使用環境、装置の仕様などに応じて適宜調整可能に構成されていることが好ましく、また、これらの調整は、手動により行ってもよいし、自動制御されるようにしてもよい。この場合、振動周波数を検知する手段からの出力信号を制御部２０に入力し、適宜粘性制御を行うようにする。

ノイズカッター６としてのダンパは、ノイズ源（モータ５５）と動作検知部５３（センサ）との間、あるいは、外部であるオペレータからの制御とセンサの間であれば、いずれの場所に設定してもよい。

具体的には、図３Ａに示すように、動作検知部５３のセンサにおいて、オペレータが把持する部分５７、すなわち、オペレータとセンサとの間にダンパ６ａを設け、オペレータＨの動作のうち、ノイズとしての微細な変化量が動作検知部５３に入力されないようにしてノイズをカットすることができる。

また、図３Ｂに示すように、動作検知部５３のセンサにおいて、センサの把持部５７の入力を本体に伝える部分、すなわち、センサと本体の間にダンパ６ｂを設け、オペレータが動作した変化のうち、ノイズとしての微細な変化量が動作検知部５３として入力されないようにしてノイズをカットすることができる。

また、ダンパ６ｃをノイズ源（モータ５５）側に設ける場合としては、図４Ａに示すように、モータ５５の動きをロボットアーム５１に伝達する連結部材５６とロボットアーム５１との間に設けることもできる。この部分にダンパ６ｃを設けることにより、モータ５５から発生したノイズによる振動が、連結部材５６からロボットアーム５１に伝達せず、ロボットアーム５１のノイズによる振動をカットすることができる。これにより、動作検知部５３に伝達することがない。これにより、動作検知部５３を介して、ノイズによる振動の入力をカットすることができ、誤制御の発生を防止することができる。

図４Ｂに示すように、モータ５５と連結部材５６との間にダンパ６ｄを設けることにより、モータ５５から発生したノイズによる振動が、連結部材５６からロボットアーム５１に伝達せず、ロボットアーム５１のノイズによる振動をカットすることができる。これにより、動作検知部５３に伝達することがない。これにより、動作検知部５３を介して、ノイズによる振動の入力をカットすることができ、不安定な制御の発生を防止することができる。

なお、上記パワーアシスト装置５０に搭載されるノイズカッター６は、必ずしもダンパで構成される必要はなく、例えば、ロボットアーム５１が振動することによって動作検知部５３に入力された振動によるノイズの電気信号を電気的にカットするように構成されたフィルタであってもよい。この場合、当該フィルタは、動作検知部５３からモータ５５までの間の制御信号経路中に設けられる。

以上説明したように、本実施形態にかかるパワーアシスト制御システムによれば、オペレータＨや、ユーザー制御対象（モータ）によりシステム全体に定常的に発生する振動のようなノイズを、ノイズカッターによりカットすることができるため、入力信号によるオーバーシュートに伴うシステムの制御不安定性を解消することができる。すなわち、ノイズ源から発生したノイズとオペレータによる入力による入力信号を周波数に着目して分離し、５０Ｈｚ〜１５０Ｈｚの範囲の周波数の振動のみをカットすることにより、システムの制御を安定化させることができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。

本発明のパワーアシスト制御システム及びパワーアシスト装置は、ロボット、工作機械等に広く適用可能である。

本発明のパワーアシスト制御システムの実施形態にかかる制御ブロックの基本的な構成を示す図である。 図１Ａのパワーアシスト制御システムの変形例を示す図である。 図１Ａのパワーアシスト制御システムを有するパワーアシスト装置の一例としての構成を示す概略図である。 ノイズカッターとしてのダンパの取り付け位置を示す図である。 ノイズカッターとしてのダンパの取り付け位置の他の例を示す図である。 ノイズカッターとしてのダンパの取り付け位置のさらに他の例を示す図である。 ノイズカッターとしてのダンパの取り付け位置のさらに他の例を示す図である。 従来の仮想パワーリミッタシステムを搭載したパワーアシストシステムの制御システムを示す構成図である。

符号の説明

１、１ｂ パワーアシスト制御システム
２ 被モニタシステム
３ ユーザー制御対象
４ オペレータ動作検知部
５ パワーアシスト制御則
６ ノイズカッター
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ ダンパ
１０ モニタシステム
１１ 仮想パワーモニタ
２０ 制御部
５０ パワーアシスト装置
５１ ロボットアーム
５２ 力検知部
５３ 動作検知部
５４ 作用部
５５ モータ

Claims (10)

1. オペレータの動作を検知する動作検知部により入力された入力信号によってユーザー制御対象が制御され、そのユーザー制御対象からのフィードバック信号を受けて前記オペレータから前記ユーザー制御対象への操作量の入力動作を補助するパワーアシスト制御則を有するパワーアシストシステムに、前記オペレータから前記ユーザー制御対象へ伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタを備えたパワーアシスト制御システムにおいて、
   前記動作検知部から前記ユーザー制御対象に至る制御信号経路中に発生するノイズをカットするノイズカッターを備えることを特徴とする、パワーアシスト制御システム。
2. 前記パワーアシスト制御システムは、前記ユーザー制御対象から前記動作検知部への負帰還経路を備え、
   前記ノイズカッターは、前記パワーアシストシステム出力から前記ユーザー制御対象入力への負帰還経路中に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のパワーアシスト制御システム。
3. 前記ノイズカッターは、前記オペレータから前記動作検知部への入力のうち、所定の周波数の振動に伴う動作をカットする、弾性を有するダンパで構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワーアシスト制御システム。
4. 前記ダンパは、前記センサの前記オペレータとの動作点に設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のパワーアシスト制御システム。
5. 前記ダンパは、前記動作検知部の入力を信号化する箇所に設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のパワーアシスト制御システム。
6. ノイズカッターは、前記オペレータの動作検知部への入力信号のうち、所定の周波数の入力信号をカットするフィルタで構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワーアシスト制御システム。
7. 前記ノイズカッターは、前記ユーザー制御対象に設けられ、所定の周波数の振動に伴って動作される前記ユーザー制御対象の補助量をカットする、弾性を有するダンパで構成されていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のパワーアシスト制御システム。
8. オペレータの動作を検知するセンサと、前記センサを備え前記オペレータの動作に合わせて駆動可能に構成されたアームと、前記センサによって入力された入力信号によって駆動するアクチュエータと、オペレータの動作を検知するセンサから入力された入力信号によって前記オペレータから前記アームへの動作を補助するようにアクチュエータを駆動させる制御部とを備えたパワーアシスト装置であって、
   前記センサまたはアクチュエータに、所定の周波数の振動を吸収し前記センサによって当該振動によるノイズの入力がされないようにする振動吸収ダンパを備えることを特徴とするパワーアシスト装置。
9. 前記制御部は、前記センサから前記アクチュエータへ伝達されるパワーを観測する仮想パワーモニタを備えることを特徴とする、請求項８に記載のパワーアシスト装置。
10. 前記所定の周波数は、５０Ｈｚ〜１５０Ｈｚであることを特徴とする、請求項８に記載のパワーアシスト装置。

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