JP2009160687A - アクチュエータおよびロボット - Google Patents

Abstract

【課題】外力に応じたリンクの動きのコンプライアンス性を、環境や用途に鑑みて適切に調節することができるアクチュエータ等を提供する。
【解決手段】本発明のアクチュエータ２によれば、目標リンク角速度ω₁と目標従動角速度ω₂との合成結果としての目標モータ角速度ω₀に基づいて駆動指令角速度ω_Cが設定される。合成目標速度ω₀に目標リンク角速度ω₁の成分が含まれることによりリンク２４の動きに「硬さ」を持たせる一方、合成目標速度ω₀に目標従動角速度ω₂の成分が含まれることによりリンク２４の動きに「柔らかさ」を持たせることができる。したがって、目標リンク角速度ω₁と目標従動角速度ω₂との合成比率Ｋ_fが調節されることにより、リンク２４の動きの硬さおよび柔らかさのバランスが調節される。
【選択図】 図７

Description

本発明は、駆動機構と、該駆動機構の出力軸と負荷との間に介在する柔軟要素と、駆動機構の動作を制御することにより駆動機構から柔軟要素を介して負荷に作用させる出力を制御する制御装置とを備えているアクチュエータ等に関する。

ロボットアームが外力を受けた場合、アームまたはその構成要素がダメージを受けないようにこのアームにコンプライアンス性または柔軟性を持たせるための技術的手法として次の２つの手法が挙げられる。

第１の手法はアームに設けられた外力センサからの出力信号に基づいてこのアームが受ける外力を測定し、当該測定結果をコンプライアンスモデルに入力することによって得られた出力結果としての指令に基づいてアームの関節角度または関節変位を制御する手法である。

第２の手法はモータからアームを構成するリンクへの駆動力伝達系に柔軟要素を設け、モータが応答しきれない周波数範囲でのコンプライアンス性を柔軟要素に担わせる手法である。第２の手法としては、アームの関節変位や速度に影響されないように柔軟要素の伸縮をトルク指令値に追従させることにより、このトルク指令値に対して忠実なトルクアクチュエータを構成する手法が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。
特開２００５−３４９５５５号公報

しかし、第１の手法によれば、コンプライアンス性を向上させるためには指令に対する腕部が高速で応答する必要がある。このため、リンク等の腕部の構成要素の剛性が高いことや、モータの速応性が高いことが必要である。特に、指令に対する腕部の動きの高い速応性を確保するため、腕部の剛性を低下させることができないという制限があるので、腕部の軽量化およびコンパクト化、ひいては腕部の多機能化を図ることが困難である。

また、第２の手法によれば、制御系にダンピング要素を追加するためには、伸縮制御系フィードバックループの外側に速度フィードバックループを設ける必要がある。このため、制御ブロック図において伸縮制御系フィードバックループが速度フィードバックループのマイナーループとして配置された構成になり、制御対象および制御系の次数が大きく、位相およびゲイン余裕が劣悪となり、ダンピング効果を十分に奏することが困難になる。

そこで、本発明は、外力に応じたリンクの動きのコンプライアンス性を、環境や用途に鑑みて適切に調節することができるアクチュエータおよびロボットを提供することを解決課題とする。

第１発明のアクチュエータは、駆動機構と、前記駆動機構と負荷との間に介在する柔軟要素と、前記駆動機構の動きを制御することにより前記柔軟要素を介して前記負荷に作用させる力を制御する制御装置とを備えているアクチュエータであって、前記制御装置が第１処理要素と第２処理要素とを備え、前記第１処理要素が前記負荷に作用させる目標力と、前記負荷の実速度と、前記駆動機構および前記負荷のそれぞれの実位置と、前記柔軟要素の特性を表わす柔軟係数とに基づいて前記駆動機構の目標従動速度を設定し、前記第２処理要素が前記負荷の目標速度である目標負荷速度と、前記第１処理要素により設定された前記目標従動速度との合成結果としての合成目標速度に基づいて駆動指令速度を設定し、前記制御装置が前記第２処理要素により設定された前記駆動指令速度に基づいて前記駆動機構の駆動速度を制御することを特徴とする。

第１発明のアクチュエータによれば、「目標負荷速度（負荷の目標速度）」と「目標従動速度」との合成結果としての「合成目標速度」に基づき、駆動機構の「駆動指令速度」が設定される。そして、この駆動指令速度に基づいて駆動機構の駆動速度が制御される。合成目標速度に目標負荷速度成分が含まれることにより負荷の動きに「硬さ」を持たせることができる。動きの「硬さ」とは負荷に外力が作用した場合、この外力に抗して負荷の速度を目標負荷速度に一致させるように動くという性質を意味しており、この動きの硬さによって外力に対する反力が生じるように負荷が動かされる。また、合成目標速度に目標従動速度成分が含まれることにより負荷の動きに「柔らかさ」を持たせることができる。動きの「柔らかさ」とは負荷に外力が作用した場合、柔軟要素の特性（弾性特性および減衰特性のうち一方または両方）にしたがい、この外力に応じて動くという性質を意味しており、この動きの柔らかさによって外力に追従するようにこの負荷が動かされる。これは、目標従動速度が負荷に作用させる目標力と、柔軟要素の特性を表わす柔軟係数と、負荷の実速度と、駆動機構および負荷のそれぞれの実位置とに基づいて設定されるからである。したがって、「目標負荷速度」と「目標従動速度」との合成比率が調節されることにより、負荷の動きの硬さおよび柔らかさのバランスが調節され、アクチュエータが接する環境や用途に鑑みて負荷の動きの適切なコンプライアンス性が実現されうる。

なお、駆動機構の位置とは、その構成要素の並進量、回転量またはこれらの組み合わせを意味する。駆動機構の駆動速度とはその構成要素の並進速度、回転角速度またはこれらの組み合わせを意味する。同様に、負荷の位置とは、負荷の並進量、回転量またはこれらの組み合わせを意味する。負荷の速度とは負荷の並進速度、回転角速度またはこれらの組み合わせを意味する。

第２発明のアクチュエータは、第１発明のアクチュエータにおいて、前記第２処理要素が、あらかじめ仕様で定められている前記アクチュエータの力の許容範囲と、前記駆動機構および前記負荷のそれぞれの実位置と、前記負荷の実速度と、前記柔軟係数とに基づいて前記駆動機構の駆動速度の許容範囲を設定した上で、前記合成目標速度が当該許容範囲に収まっているときは前記合成目標速度をそのまま前記駆動指令速度として設定する一方、前記合成目標速度が当該許容範囲に収まっていない場合には当該許容範囲に収まるように前記合成目標速度を修正することにより前記駆動指令速度を設定することを特徴とする。

第２発明のアクチュエータによれば、駆動機構の駆動速度がその許容範囲から外れることが回避されるように駆動指令速度が設定されるので、駆動機構および駆動機構から負荷への力伝達系（柔軟要素が含まれる。）に過剰な負担がかかることが回避される。

第３発明のアクチュエータは、第１または第２発明のアクチュエータにおいて、前記第１処理要素が、前記負荷の目標位置と前記負荷の実位置との差に基づいて仮想的な弾性要素により生じる力を算出し、前記負荷に作用させる目標力に当該算出力を加算して補正した上で、当該補正後の前記目標力を用いて前記目標従動速度を設定することを特徴とする。

第３発明のアクチュエータによれば、負荷の実位置と、環境や用途の変化等に応じて可変的に設定される負荷の目標位置との偏差に鑑みて、駆動機構により柔軟要素を介して負荷に作用させる目標力が適切に補正されうる。

第４発明のアクチュエータは、第１〜第３発明のうちいずれか１つのアクチュエータにおいて、前記負荷の行動計画を認識し、当該認識結果に基づいて前記目標負荷速度と前記目標従動速度との前記第２処理要素による合成比率を設定する合成比率設定要素を備えていることを特徴とする。

第４発明のアクチュエータによれば、負荷の行動計画に基づいて目標負荷速度と目標従動速度との合成比率が調節されることにより、負荷の動きの硬さと柔らかさとのバランスが、負荷をこの行動計画にしたがって行動させる観点から適当に調節されうる。

第５発明のロボットは、アクチュエータと、前記アクチュエータにより駆動されるリンクとを備えているロボットであって、前記アクチュエータが、駆動機構と、前記駆動機構と負荷としての前記リンクとの間に介在する柔軟要素と、前記駆動機構の動きを制御することにより前記柔軟要素を介して前記負荷に作用させる力を制御する制御装置とを備え、前記制御装置が第１処理要素と第２処理要素とを備え、前記第１処理要素が前記負荷に作用させる目標力と、前記負荷の実速度と、前記駆動機構および前記負荷のそれぞれの実位置と、前記柔軟要素の特性を表わす柔軟係数とに基づいて前記駆動機構の目標従動速度を設定し、前記第２処理要素が前記負荷の目標速度である目標負荷速度と、前記第１処理要素により設定された前記目標従動速度との合成結果としての合成目標速度に基づいて駆動指令速度を設定し、前記制御装置が前記第２処理要素により設定された前記駆動指令速度に基づいて前記駆動機構の駆動速度を制御することを特徴とする。

第５発明のロボットによれば、目標負荷速度と目標従動速度との合成結果としての合成目標速度に基づき、駆動機構の駆動指令速度が設定される。そして、この駆動指令速度に基づいて駆動機構の駆動速度が制御されることにより、リンクの動きが制御される。また、目標負荷速度と目標従動速度との合成比率が調節されることにより、負荷としてのリンクの動きの硬さおよび柔らかさのバランスが調節され、アクチュエータが接する環境や用途に鑑みて負荷の動きの適切なコンプライアンス性が実現されうる。

第６発明のロボットは、第５発明のロボットにおいて、前記ロボットの行動計画を認識し、当該認識結果に基づいて前記目標負荷速度と前記目標従動速度との前記第２処理要素による合成比率を設定する合成比率設定要素を備えていることを特徴とする。

第６発明のロボットによれば、ロボットの行動計画に基づいて目標負荷速度と目標従動速度との合成比率が調節されることにより、負荷の動きの硬さと柔らかさとのバランスが、ロボットがこの行動計画にしたがって行動する観点から適当に調節されうる。

本発明のアクチュエータおよびロボットの実施形態について図面を用いて説明する。本発明の一実施形態としてのロボットおよびこのロボットが有するアクチュエータのそれぞれの構成について説明する。図１に示されているロボット１はヒューマノイドロボットであり、基体１０と、基体１０の上方に配置された頭部１１と、基体１０の上部に上部両側から延設された左右の腕部１２と、左右の腕部１２のそれぞれの先端に設けられている手部１３と、基体１０の下部から下方に延設された左右の脚体１４と、左右の脚体１４のそれぞれの先端に設けられている足部１５とを備えている。

基体１０はヨー軸回りに相対的に回動しうるように上下に連結された上部および下部により構成されている。頭部１１は基体１０に対してヨー軸回りに回動する等、動くことができる。

腕部１２は第１腕リンク１２２と、第２腕リンク１２４とを備えている。基体１０と第１腕リンク１２２とは肩関節１２１を介して連結され、第１腕リンク１２２と第２腕リンク１２４とは肘関節１２３を介して連結され、第２腕リンク１２４と手部１３とは手根関節１２５を介して連結されている。肩関節１２１はロール、ピッチおよびヨー軸回りの回動自由度を有し、肘関節１２３はピッチ軸回りの回動自由度を有し、手根関節１２５はロール、ピッチ、ヨー軸回りの回動自由度を有している。手部１３は、手掌部から延設され、人間の手の親指、人差指、中指、薬指および小指のそれぞれに相当する５つの指機構を備えている。

脚体１４は第１脚リンク１４２と、第２脚リンク１４４とを備えている。基体１０と第１脚リンク１４２とは股関節１４１を介して連結され、第１脚リンク１４２と第２脚リンク１４４とは膝関節１４３を介して連結され、第２脚リンク１４４と足部１５とは足関節１４５を介して連結されている。股関節１４１はロール、ピッチおよびロール軸回りの回動自由度を有し、膝関節１４３はピッチ軸回りの回動自由度を有し、足関節１４５はロールおよびピッチ軸回りの回動自由度を有している。

ロボット１は図２に示されているアクチュエータ２を備えている。アクチュエータ２は制御装置２００により動作が制御されるモータ（駆動機構）２１と、減速機２２と、柔軟要素２３とを備えている。モータ２１の出力軸は、減速機２２および柔軟要素２３を介してリンク（負荷）２４（第１腕リンク１２２、第２腕リンク１２４、手部１３、第１脚リンク１４２、第２脚リンク１４４および足部１５のうち一部または全部が該当する。）に直列に接続されている。モータ２１はロボット１に搭載されているバッテリ（図示略）から供給される電力によって動作する。また、アクチュエータ２はモータエンコーダ２０１およびリンクエンコーダ２０２を備えている。モータエンコーダ２０１はモータ２１の出力軸の角度（モータ角度。「駆動機構の実位置」に該当する。）θ_Mに応じた信号を出力する。リンクエンコーダ２０２はリンク２４の角度（リンク角度。「負荷の実位置」に該当する。）θ_Lおよび角速度（リンク角速度。「負荷の実速度」に該当する。）ω_Lに応じた信号を出力する。

ロボット１はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏ、アナログ回路等によって構成され、バッテリからモータ２１に供給される電力を制御することにより、ロボット１の動作を制御する図３に示されている制御装置２００を備えている。なお、制御装置２００はロボット１の内部ネットワークを通じて接続された主制御ユニットおよび一または複数の副制御ユニットより構成される分散制御システムであってもよい。ロボット１に搭載されているコンピュータを制御装置２００として機能させるための「運動制御プログラム」はＲＯＭ等の記憶装置に予め格納されていてもよいが、ロボット１から要求があった等の任意のタイミングで当該プログラムがサーバからネットワークや人工衛星を介して当該コンピュータに配信（ダウンロード）または放送され、当該プログラム用のメモリに格納されてもよい。

制御装置２００は第１処理要素２１０と第２処理要素２２０とを備えている。制御装置２００の各構成要素は共通のＣＰＵ、プロセッサまたはアナログ回路により構成されていてもよく、異なるＣＰＵ等により構成されていてもよい。

第１処理要素２１０はリンク２４に作用させる目標トルク（負荷に作用させる目標力）τ₀、リンク角度（負荷の実位置）θ_L、リンク角速度（負荷の実速度）ω_Lと、モータ角度（駆動機構の実位置）θ_M、および、柔軟要素２３の特性を表わす柔軟係数に基づいてモータ２１の目標従動速度ω₂を設定する。第２処理要素２２０はリンク２４の目標角速度（目標負荷速度）ω₁と、第１処理要素２１０により設定された目標従動速度ω₂との合成結果としての合成目標速度ω₀に基づいて駆動指令速度ω_Cを設定する。制御装置２００は第２処理要素２２０により設定された駆動指令速度軌道ω_C（ｔ）に基づいてモータ速度ω_M、正確にはその時系列的な変化態様を表わすモータ速度軌道ω_M（ｔ）を制御する。なお、測定または設定等される変数の値は、その時系列的な変化態様を表わす「軌道」を意味する。たとえば、リンク角度θ_Lは、その時系列的な変化態様を表わすリンク角度軌道θ_L（ｔ）を意味する。

図４には制御装置２００およびその制御対象であるモータ２１を含む制御ブロック図が示されている。図５には図４に示されている制御ブロック図の変形ブロック図が開示されている。

続いて前記構成のロボットの機能について説明する。以下、説明の簡単のため各関節１２１等における回転自由度が「１」であり、各変数がスカラーである場合について説明するが、各関節１２１等における回転自由度が「２」以上であり、各変数がベクトルまたは係数行列（またはテンソル）に拡張されてもよい。

第１処理要素２１０は目標リンク角度θ_L0を記憶装置から読み取る（図６／Ｓ０１２）。目標リンク角度θ_L0は、制御装置２００によりロボット１の通信機能が用いられてデータベース（図示略）から検索されもしくはサーバ（図示略）から受信されてもよく、または、制御装置２００により記憶装置に格納されているロボット１の行動計画に基づき、逆動力学計算モデルにしたがって生成されてもよい。また、第１処理要素２１０は目標リンク角度θ_L0とリンク角度θ_Lとに基づき、逆動力学計算モデルにしたがって、リンク角度θ_Lを目標リンク角度θ_L0に一致させるために必要なトルクをリンク２４に作用させる目標トルクτ₀として設定する（図６／Ｓ０１４）。さらに、第１処理要素２１０はモータエンコーダ２０１の出力信号に基づいてモータ角度θ_Mを測定し、かつ、リンクエンコーダ２０２の出力信号に基づいてリンク角度θ_Lおよびリンク角速度ω_Lを測定する（図６／Ｓ０１６）。そして、第１処理要素２１０は目標トルクτ₀と、当該測定結果と、柔軟要素２３の特性を表す柔軟係数Ｋ_pおよびｒ_sとに基づき、式（１）にしたがってモータ２１の目標角速度である目標従動角速度ω₂を設定する（図６／Ｓ０１８）。

式（１）は、モータ角度θ_Mとリンク角度θ_Ｌとの偏差に応じて柔軟要素２３からリンク２４に作用する力（＝ｒ_s（θ_M−θ_L）（ｒ_s：柔軟要素２３の弾性係数））と、モータ角速度ω_Mとリンク角速度ω_Lとの偏差に応じて柔軟要素２３からリンク２４に作用する減衰力（＝（ｒ_s／Ｋ_P）・（ω_M−ω_L）（Ｋ_P：柔軟要素２３のダンピング特性を表す係数））との和が、リンク２４に作用するアクチュエータトルクτに等しいことを表している。

目標アクチュエータトルクτ₀は、目標リンク角度θ_L0とリンク角度θ_Lとの偏差θ_L0−θ_Lに基づき、式（２）にしたがって補正される。

ここで、ｒ_vsは仮想的な柔軟要素の特性を表わす弾性係数であり、制御装置２００を構成するメモリにあらかじめ格納されている。なお、目標アクチュエータトルクＴ₀の当該補正は省略されてもよい。

さらに、第２処理要素２２０は目標負荷角速度ω₁と第１処理要素２１０により設定された目標従動角速度ω₂との合成結果としての合成目標角速度ω₀に基づいて駆動指令角速度ω_Cを設定する（図６／Ｓ０２０）。合成目標角速度ω₀は式（３）にしたがって算出される（図４参照）。本実施形態においては合成目標角速度ω₀がそのまま駆動指令角速度ω_Cとして設定される。

ここで、Ｋ_fは目標負荷角速度ω₁と目標従動角速度ω₂との合成比率であり、メモリにあらかじめ格納されている。この合成比率Ｋ_fは図５のゲイン係数Ｋ₄およびＫ₇の関数として、式（４）にしたがって表現される。

また、合成比率Ｋ_fは、柔軟要素２３のダンピング特性を表すために前記運動方程式に含まれる仮想粘性係数ｄの関数として、式（５）にしたがって表現される。

そして、制御装置２００は、モータ角速度ω_Mが、第２処理要素２２０により設定された駆動指令角速度ω_Cに一致するように、バッテリからモータ２１への供給電力を制御することによりこのモータ２１の動作を制御する（図６／Ｓ０３０）。具体的には、モータトルクτ_Mが、駆動指令角速度ω_C（＝合成目標角速度ω₀）およびモータ角速度ω_Mの偏差と、モータ角度θ_Mおよびリンク角度θ_Lの偏差とに基づき、式（６）にしたがって制御される（図４参照）。

前記機能を発揮するアクチュエータ２およびこれを有するロボット１によれば、目標リンク角速度（負荷の目標速度）ω₁と目標従動角速度ω₂との合成結果としての合成目標速度ω₀に基づき、モータ（駆動機構）２１の駆動指令角速度ω_Cが設定される（式（３）、図３、図６／Ｓ０２２参照）。そして、この駆動指令角速度ω_Cに基づいてモータ角速度（駆動機構の駆動速度）ω_Mが制御される（式（６）、図３、図６／Ｓ０３２参照）。合成目標速度ω₀に目標リンク角速度ω₁の成分が含まれることによりリンク２４の動きに「硬さ」を持たせることができる。動きの「硬さ」とはリンク２４に外力が作用した場合、この外力に抗してリンク角速度ω_Lを目標リンク角速度ω₁に一致させるように動くという性質を意味しており、この動きの硬さによって外力に対する反力が生じるようにリンク２４が動かされる。また、合成目標速度ω₀に目標従動角速度ω₂の成分が含まれることによりリンク２４の動きに「柔らかさ」を持たせることができる。動きの「柔らかさ」とはリンク２４に外力が作用した場合、柔軟要素２３の特性（弾性特性および減衰特性のうち一方または両方）にしたがい、この外力に応じて動くという性質を意味しており、この動きの柔らかさによって外力に追従するようにこのリンク２４が動かされる。これは、目標従動角速度ω₂がリンク２４に作用させる目標トルク（目標力）τ₀と、柔軟要素２３の特性を表わす減衰係数Ｋ_Pおよび弾性係数ｒ_sと、リンク角速度ω_Lと、モータ角度θ_Mと、リンク角度θ_Lとに基づいて設定されるからである（式（１）参照）。したがって、目標リンク角速度ω₁と目標従動角速度ω₂との合成比率Ｋ_fが調節されることにより、リンク２４の動きの硬さおよび柔らかさのバランスが調節され、アクチュエータ２が接する環境や用途に鑑みてリンク２４の動きの適切なコンプライアンス性が実現されうる。

たとえば、ロボット１が手部１３で落下してくる物体Ｑを受け止めるとき、腕部１２の動作が図７（ａ）〜（ｄ）に順に示されているように制御される。すなわち、腕部１２の動きの硬さによって物体Ｑを確実に下から支え、腕部１２の動きの柔らかさによって物体Ｑを受け止めるように各関節１２１，１２３および１２５のまわりの第１腕リンク１２２、第２腕リンク１２４および手部１３の動きが制御されうる。この物体Ｑが卵のように割れやすい場合でも、ロボットＱは腕部１２の柔らかな動きで卵を割らないように手部１３においてこの卵をしっかりと受け止めることができる。

また、リンク２４の剛性を低下させても外力に対するリンク２４の動きのコンプライアンス性が確保されるので、リンク２４の軽量化を図ることができる。さらに、リンク２４の軽量化に伴うスリム化により、たとえば、モータ２１やセンサの設置スペース、モータ２１に接続される電線およびセンサに接続される信号線の配線スペースを確保することができるので、ロボット１の多機能化を図ることができる。

また、目標リンク角度θ_L0とリンク角度θ_Lとの偏差に応じた仮想的な弾性要素によって生じるトルクｒ_VS・（θ_L0−θ_L）が算出され、当該算出トルクが加算されることにより目標トルクτ₀が補正される（式（２）参照）。これにより、リンク角度θ_Lと目標リンク角度θ_L0との偏差に鑑みて、目標トルクτ₀が適切に補正されうる。

なお、本発明の他の実施形態として、第２処理要素２２０が、あらかじめ仕様で定められているアクチュエータ２のトルクの許容範囲［τ_-，τ₊］と、モータ角度θ_Mと、リンク角度θ_Lおよびリンク角速度ω_Lとに基づき、柔軟要素２３の特性を表す式にしたがってモータ角速度ω_Mの許容範囲［ω_M-，ω_M+］を設定した上で、合成目標速度ω₀が当該許容範囲に収まっているときは合成目標速度ω₀をそのまま駆動指令速度ω_Cとして設定する一方、合成目標速度ω₀が当該許容範囲に収まっていない場合には当該許容範囲に収まるように合成目標速度ω₀を修正することにより駆動指令速度ω_Cを設定してもよい。

具体的には、図４に示されている第２処理要素２２０の構成が図８に示されているように変更されてもよい。この構成により、次のように駆動指令角速度ω_Cが設定される。すなわち、アクチュエータトルクτの正側限界値τ₊が記憶装置から読み出されて認識され（図９／Ｓ１２１）、これに基づき、式（７）で表されるモータ角速度ω_Mの正側限界値ω_M+が算出される（図９／Ｓ１２３）。

また、アクチュエータトルクτの負側限界値τ_-が記憶装置から読み出されて認識され（図９／Ｓ１２２）、これに基づき、式（８）で表されるモータ角速度ω_Mの負側限界値ω_M-が算出される（図９／Ｓ１２４）。

これにより、正側限界値ω_M+および負側限界値ω_M-により画定されるモータ角速度ω_Mの許容範囲［ω_M-，ω_M+］が設定される。

そして、前記のように目標リンク角速度ω₁および目標従動角速度ω₂の合成結果として算出された合成目標角速度ω₀がこの許容範囲［ω_M-，ω_M+］に収まっているか否かが判定される（図９／Ｓ１２５）。この判定結果が肯定的であった場合（図９／Ｓ１２５‥ＹＥＳ）、合成目標角速度ω₀はそのまま駆動指令角速度ω_Cとして設定される（図９／Ｓ１２７）。その一方、この判定結果が否定的であった場合（図９／Ｓ１２５‥ＮＯ）、合成目標角速度ω₀が正側限界値ω_M+を超えているか否かがさらに判定される（図９／Ｓ１２６）。そして、この判定結果が肯定的である場合（図９／Ｓ１２６‥ＹＥＳ）、正側限界値ω_M+が駆動指令角速度ω_Cとして設定される（図９／Ｓ１２８）。また、この判定結果が否定的である場合（図９／Ｓ１２６‥ＮＯ）、負側限界値ω_M-が駆動指令角速度ω_Cとして設定される（図９／Ｓ１２９）。

当該他の実施形態のロボット１によれば、モータ角速度ω_Mがその許容範囲から外れることが回避されるように駆動指令速度ω_Cが設定されるので、モータ２１およびモータ２１からリンク２４への力伝達系（減速機２２および柔軟要素２３が含まれる。）に過剰な負担がかかることが回避される。たとえば、減速機２２のギアの過度な磨耗や損傷、さらには、柔軟要素２３の損傷等が回避されうる。

前記実施形態ではアクチュエータ２がロボット１のリンク２４の動きを制御するために用いられたが、他の実施形態としてアクチュエータ２が自動車のドアの開閉の動き、自動車のシートの背もたれ部の起きる動きおよび倒れる動き、自動車の乗員のシートに対する位置および姿勢を安全に維持するためのシートベルトの動き等、ロボット１のリンク２４以外のあらゆる負荷の動きを制御するために用いられてもよい。モータ２１のように回転駆動機構のほか、ピストンシリンダ方式の直線運動駆動機構等の駆動機構が用いられてもよい。モータ２１の出力軸の回転運動を負荷の回転運動ではなく直線運動等に変換する必要がある場合には回転運動を直線運動に変換するための力伝達機構が用いられてもよい。

さらに、ロボット１またはアクチュエータ２が、各リンク２４の行動計画、すなわち、ロボット１の行動計画を認識し、当該認識結果に基づいて目標リンク角速度ω₁と目標従動角速度ω₂との第２処理要素２２０による合成比率Ｋ_fを設定する合成比率設定要素を備えていてもよい。当該実施形態によれば、各リンク２４またはロボット１の行動計画に基づいて目標リンク角速度ω₁と目標従動角速度ω₂との合成比率Ｋ_fが調節されることにより（式（３）参照）、各リンク２４の動きの硬さと柔らかさとのバランスが、ロボット１または各リンク２４をこの行動計画にしたがって行動させる観点から適当に調節されうる。

本発明の一実施形態としてのロボットの構成説明図 本発明の一実施形態としてのアクチュエータの構成説明図 本発明のアクチュエータの制御装置の構成説明図 本発明のアクチュエータの制御ブロック図 図４の制御ブロック図の変形制御ブロック図 本発明のアクチュエータの制御フローチャート 本発明のロボットの動作概要図 本発明のアクチュエータの制御装置の他の構成説明図 モータの目標トルクの設定フローチャート

符号の説明

１‥ロボット、２‥アクチュエータ、２１‥モータ（駆動機構）、２２‥減速機、２３‥柔軟要素、２４‥リンク（負荷）、２００‥制御装置、２０１‥モータエンコーダ、２０２‥リンクエンコーダ、２１０‥第１処理要素、２２０‥第２処理要素

Claims (6)

1. 駆動機構と、前記駆動機構と負荷との間に介在する柔軟要素と、前記駆動機構の動きを制御することにより前記柔軟要素を介して前記負荷に作用させる力を制御する制御装置とを備えているアクチュエータであって、
   前記制御装置が第１処理要素と第２処理要素とを備え、
   前記第１処理要素が前記負荷に作用させる目標力と、前記負荷の実速度と、前記駆動機構および前記負荷のそれぞれの実位置と、前記柔軟要素の特性を表わす柔軟係数とに基づいて前記駆動機構の目標従動速度を設定し、
   前記第２処理要素が前記負荷の目標速度である目標負荷速度と、前記第１処理要素により設定された前記目標従動速度との合成結果としての合成目標速度に基づいて駆動指令速度を設定し、
   前記制御装置が前記第２処理要素により設定された前記駆動指令速度に基づいて前記駆動機構の駆動速度を制御することを特徴とするアクチュエータ。
2. 請求項１記載のアクチュエータにおいて、
   前記第２処理要素が、あらかじめ仕様で定められている前記アクチュエータの力の許容範囲と、前記駆動機構および前記負荷のそれぞれの実位置と、前記負荷の実速度と、前記柔軟係数とに基づいて前記駆動機構の駆動速度の許容範囲を設定した上で、前記合成目標速度が当該許容範囲に収まっているときは前記合成目標速度をそのまま前記駆動指令速度として設定する一方、前記合成目標速度が当該許容範囲に収まっていない場合には当該許容範囲に収まるように前記合成目標速度を修正することにより前記駆動指令速度を設定することを特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項１または２記載のアクチュエータにおいて、
   前記第１処理要素が、前記負荷の目標位置と前記負荷の実位置との差に基づいて仮想的な弾性要素により生じる力を算出し、前記負荷に作用させる目標力に当該算出力を加算して補正した上で、当該補正後の前記目標力を用いて前記目標従動速度を設定することを特徴とするアクチュエータ。
4. 請求項１〜３のうちいずれか１つに記載のアクチュエータにおいて、
   前記負荷の行動計画を認識し、当該認識結果に基づいて前記目標負荷速度と前記目標従動速度との前記第２処理要素による合成比率を設定する合成比率設定要素を備えていることを特徴とするアクチュエータ。
5. アクチュエータと、前記アクチュエータにより駆動されるリンクとを備えているロボットであって、
   前記アクチュエータが、駆動機構と、前記駆動機構と負荷としての前記リンクとの間に介在する柔軟要素と、前記駆動機構の動きを制御することにより前記柔軟要素を介して前記負荷に作用させる力を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置が第１処理要素と第２処理要素とを備え、
   前記第１処理要素が前記負荷に作用させる目標力と、前記負荷の実速度と、前記駆動機構および前記負荷のそれぞれの実位置と、前記柔軟要素の特性を表わす柔軟係数とに基づいて前記駆動機構の目標従動速度を設定し、
   前記第２処理要素が前記負荷の目標速度である目標負荷速度と、前記第１処理要素により設定された前記目標従動速度との合成結果としての合成目標速度に基づいて駆動指令速度を設定し、
   前記制御装置が前記第２処理要素により設定された前記駆動指令速度に基づいて前記駆動機構の駆動速度を制御することを特徴とするロボット。
6. 請求項５記載のロボットにおいて、
   前記ロボットの行動計画を認識し、当該認識結果に基づいて前記目標負荷速度と前記目標従動速度との前記第２処理要素による合成比率を設定する合成比率設定要素を備えていることを特徴とするロボット。
   

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