JP2017151590A - アクチュエータの駆動制御方法およびアクチュエータの駆動制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非線形要素を有する被動機構を駆動する駆動システム全体を精度よく、かつ滑らかに動作させるアクチュエータの駆動制御方法を提供する。
【解決手段】被動機構と、被動機構を駆動するアクチュエータとを備えるプラントにおいて、アクチュエータを駆動するための制御値である連続値制御信号を量子化し、離散値制御信号としてアクチュエータに入力する、アクチュエータの駆動制御方法であって、制御目標値と、前回のアクチュエータが駆動したときの被動機構の出力値とに基づいて、次回のアクチュエータの制御値である連続値制御信号を算出する連続値制御信号算出ステップと、前回のプラントの出力値に基づいて、算出された連続値制御信号を補正する補正ステップと、アクチュエータの非線形特性を補完する量子化マップに基づいて連続値制御信号を量子化し、離散値制御信号としてアクチュエータへ出力する離散値制御信号算出ステップと、を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、アクチュエータの駆動制御方法および駆動制御装置に関し、より詳しくは、油圧や空気圧などの流体圧を用いてアクチュエータの駆動を制御する駆動制御方法および駆動制御装置に関する。

近年、土木建築や、素材などの製造、災害復旧などの現場での重作業のために、建機をベースにした操縦型ロボットが開発されている。こうした重作業のためのロボットの駆動には、一般に油圧駆動によるアクチュエータが適している。しかし、油圧シリンダの駆動部分に生じる摩擦が大きいと、微小な制御信号の入力に対してアクチュエータが動作しない、いわゆる不感帯（デッドゾーン）が生じる。

不感帯では制御信号の通りにアクチュエータが動作しないため、動きにぶれが生じたり、動きの微調整が困難になったりする。また、リンクやギア等の被動機構には、バックラッシュ等のヒステリシス特性がある。従って、油圧駆動によるアクチュエータを用いたロボットを、例えば災害のレスキュー現場や、工場での組み立て、修理などでの微細な動きが要求される作業に利用することは困難であった。

このような問題を解決するために、例えば非特許文献１では、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を利用したり、入力にディザー信号を加えたりする技術が提案されている。また、例えば特許文献１、２および非特許文献２の技術では、フィードバック変調器を用いて量子化された制御信号をアクチュエータに入力する技術が提案されている。特に、特許文献１、２の技術にさらに改良を加えた非特許文献２では、不感帯近傍の制御信号を不感帯の最大誤差を超える量子化幅で量子化することによって摩擦の変動を上回るパルス入力を生成し、アクチュエータの応答特性や動作の精度を向上させる技術が提案されている。

特開２００７−２９９３４７号公報 特開２００９−２１７４１７号公報 特許第３７６１２４５号

加藤、西海、一柳、「ニューラルネットと微小振動重畳による不感帯を有する油圧モータ角度制御の特性改善」、日本フルードパワーシステム学会論文集、２００４年、第３５巻、第５号、ｐ．８９−９６ 亀岡、横小路、「量子化幅を可変としたフィードバック変調器による油圧駆動システムの制御」、２０１０年、第２８回日本ロボット学会学術講演会予稿集、ＣＤ−ＲＯＭ、２Ｐ１−６

しかしながら、非特許文献１に記載された技術は、応答特性に優れるが高価でありメンテナンス性の低いサーボ弁を使用することを前提としたものである。従って、サーボ弁よりも応答特性が劣るが低廉であり、メンテナンス性も高い比例弁を使用した場合には十分な効果を得られない可能性がある。また、特許文献１に記載された技術は、空間的及び時間的に離散した入力信号のみを受付け可能なアクチュエータの制御に関するものであり、摩擦力の問題を解決する制御について検討されたものではない。

一方、特許文献２に記載された技術は、フィードバック変調器の量子化器において制御対象の不感帯を考慮しているが、推定誤差を考慮していない。このため、空間的量子化幅を大きく取り過ぎることもあり、量子化幅が一定なので振動的になりやすい。また、切替器を用いるためコストが増大する。

特許文献３に記載された技術は、外乱オブザーバの機能を利用して、バックラッシュによる衝撃的な振動現象を抑制する制振制御に関するものである。しかし、かかる技術では、制御対象のバックラッシュ現象をモデル化する際に制御対象の重量や剛性を一定値とするため、接触や負荷変動の大きなマニピュレータ系においては、不安定な制御となりやすい。また、かかる技術はシステムの運動エネルギを安定化させるには有効だが、目標位置へ制御するための安定性や精度の向上を直接の目的としていないため、これらの向上は期待できない。

また、非特許文献１および２、特許文献１および２に記載された技術では、アクチュエータの非線形性を確定的な入力変調やフィードバック変調器内の不感帯モデルに反映しているが、アクチュエータから対象物に実際に接触や作用する効果器に対して力や動作を伝達する被動機構の非線形性については考慮されていない。このため、最終的な制御精度を抜本的に向上させられないという問題がある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、アクチュエータによりバックラッシュ等の非線形要素を有する被動機構を駆動するプラント、すなわち駆動システム全体を精度よく、かつ滑らかに動作させることが可能な、新規かつ改良されたアクチュエータの駆動制御方法およびアクチュエータの駆動制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、被動機構と、被動機構を駆動するアクチュエータとを備えるプラントにおいて、アクチュエータを駆動するための制御値である連続値制御信号を量子化し、離散値制御信号としてアクチュエータに入力する、アクチュエータの駆動制御方法が提供される。かかる駆動制御方法では、制御目標値と、前回のアクチュエータが駆動したときの被動機構の出力値とに基づいて、次回のアクチュエータの制御値である連続値制御信号を算出する連続値制御信号算出ステップと、前回のプラントの出力値に基づいて、算出された連続値制御信号を補正する補正ステップと、アクチュエータの非線形特性を補完する量子化マップに基づいて連続値制御信号を量子化し、離散値制御信号としてアクチュエータへ出力する離散値制御信号算出ステップと、を含む。

補正ステップでは、前回のプラントの出力値として、前回のアクチュエータの出力値または被動機構の出力値のうち少なくともいずれか一方を用いるようにしてもよい。

離散値制御信号算出ステップでは、外力推定部により被動機構に作用する外力の推定値を取得し、非線形要素を有する被動機構に作用する外力と当該被動機構の目標速度との関係を表す情報である補正テーブルに基づいて、外力の推定値から被動機構に関する動作補正の出力を決定してもよい。

ここで、補正テーブルは、被動機構が非線形要素の影響を受けて動作するときは当該非線形要素を解消する位置まで被動機構を移動させるよう出力を補正し、非線形要素の影響が解消した後は、出力を補正しないように設定してもよい。

外力推定部は、被動機構の加速度および慣性質量に基づいて外力の推定値を算出してもよく、被動機構に設けられた外力検出センサの検出値を外力の推定値として取得してもよい。

また、外力推定部により取得された外力の推定値は所定の期間蓄積してもよい。

なお、非線形要素は、例えば、被動機構のヒステリシス特性であるバックラッシュ等である。

被動機構の出力には、実測値または外乱オブザーバによる推定値のいずれかを用いてもよい。

また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、被動機構と、被動機構を駆動するアクチュエータとを備えるプラントにおいて、アクチュエータを駆動するための制御値である連続値制御信号を量子化し、離散値制御信号としてアクチュエータに入力する、アクチュエータの駆動制御装置が提供される。かかる駆動制御装置は、制御目標値と、前回のアクチュエータが駆動したときの被動機構の出力値とに基づいて、次回のアクチュエータの制御値である連続値制御信号を算出する制御部と、前回のプラントの出力値に基づいて、算出された連続値制御信号を補正し、アクチュエータの非線形特性を補完する量子化マップに基づいて連続値制御信号を量子化し、離散値制御信号としてアクチュエータへ出力する非線形フィードバック変調器と、を備える。

本発明によれば、アクチュエータによりバックラッシュ等の非線形要素を有する被動機構を駆動する駆動システム全体を精度よく、かつ滑らかに動作させることが可能となる。すなわち、大きな出力が得られるが、摩擦の大きな油圧駆動やガタの大きい伝動機構を持つ駆動システムにおいても、サーボ弁等の高価なアクチュエータや、高価で整備性の悪い低バックラッシュ型伝動器を用いなくても、アクチュエータを精度よく動作させることができる。

本発明の一実施形態に係る非線形フィードバック変調器を備えるアクチュエータの駆動制御装置の構成を示すブロック図である。 同実施形態に係る非線形フィードバック変調器を備えるアクチュエータの駆動制御装置の他の一例を示すブロック図である。 同実施形態に係る非線形フィードバック変調器を備えるアクチュエータの駆動制御装置のさらに他の一例を示すブロック図である。 駆動機構と被動機構とを備えるプラントとして、外界との相互干渉を受けながら動作する一般的モデルを示す説明図である。 バックラッシュの概念を示す説明図である。 被動機構の目標速度と被動機構への外力との関係を示す補正テーブルの一例である。 同実施形態に係る外力の推定値の算出方法の一例を示すフローチャートである。 同実施形態に係る駆動制御方法を適用する装置の一例である、マニピュレータ型建機の概略構成を示す概略斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．駆動制御装置の構成＞
［１−１．全体構成］
まず、図１に基づいて、本発明の一実施形態に係るアクチュエータの駆動制御装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係るアクチュエータの駆動制御装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、制御対象（プラント）５０の駆動を制御する駆動制御装置１は、制御偏差部１０と、フィードバック制御部２０と、非線形特性補償型フィードバック変調器（ＮＣ−ＦＢＭ：Nonlinearity Compensated type Feedback Modulator。以下、「非線形フィードバック変調器」とも称する。）３０と、フィードフォワード制御部４０とを含む。

駆動制御装置１には、操作装置（図示せず。）から指令信号として制御目標値ｒが入力される。制御偏差部１０は、制御目標値ｒに対して制御対象５０からフィードバックされる出力（制御量）ｙの偏差である制御偏差ｚ（＝ｒ−ｙ２）を出力する。フィードバック制御部２０は、制御偏差ｚに基づいて、制御対象５０の出力ｙが制御目標値ｒになるような制御信号ｕを生成して非線形フィードバック変調器３０に出力する。ここで、制御信号ｕは、時間的に連続した連続値制御信号である。なお、ｙ２は、出力ｙを計測器５４を介して検出したものである。

非線形フィードバック変調器３０は、制御信号ｕを変調して変調制御信号ｕ_Ｑを生成し、制御対象５０に出力する。ここで、変調制御信号ｕ_Ｑは、時間的に離散した離散値制御信号である。非線形フィードバック変調器３０は、摩擦の変動範囲を予め設定することでパラメータを系統的に決定する変調器である。制御信号ｕは、制御対象５０における入力信号の受付可能な時間間隔、入力信号のとりうる離散値、および入出力特性に基づいた変換式によって、変調制御信号ｕ_Ｑに変換される。また、本実施形態に係る非線形フィードバック変調器３０には、図１に示すように、プラント５０の出力値ｙ’がフィードバックされる。このプラント５０からのフィードバックを受けて、非線形フィードバック変調器３０は、フィードバック制御部２０により算出された制御信号ｕを補正し、制御対象へ変調制御信号ｕ_Ｑを出力する。非線形フィードバック変調器３０の詳細な構成については後述する。

フィードフォワード制御部４０は、変調制御信号ｕ_Ｑの位相遅れを改善するために設けられる制御部である。フィードフォワード制御部４０は、必ずしも設けなくともよく、必要に応じて追加される。フィードフォワード制御部４０は、例えば図１に示すように、速度変換部４１と、制御量変換部４２とを含む。速度変換部４１は、駆動制御装置１に入力された制御目標値ｒを微分して速度値ｖに変換し、制御量変換部４２に出力する。制御量変換部４２は、速度値ｖを、制御対象５０の操作量成分値ｖ_１に変換して、加算部４３に出する。加算部４３は、操作量成分値ｖ_１を、フィードバック制御部２０により算出された値に加算して、制御信号ｕを生成する。

また、本実施形態の駆動制御装置１の制御対象（プラント）５０は、図１に示すように、アクチュエータ等の駆動機構（Ｐ１）５１およびバックラッシュ等の非線形要素を有する被動機構（Ｐ２）５２とからなる駆動システムである。被動機構５２には伝動機構も含まれるものとする。非線形フィードバック変調器３０から出力された変調制御信号ｕ_Ｑに基づいて、駆動機構５１が駆動し、駆動機構５１とともに被動機構５２が動く。制御対象（プラント）５０の出力値、例えば駆動機構５１や被動機構５２の出力値（例えば、移動速度）は、フィードバック制御部２０および非線形フィードバック変調器３０に出力され、次の制御信号の算出に利用される。実際には、フィードバック制御部２０によるフィードバック制御には、制御対象（プラント）５０の出力として計測器５４で計測された測定値ｙ２が用いられる。計測器５４で計測された測定値ｙ２は、非線形フィードバック変調器３０にフィードバックされるプラント５０の出力値ｙ’としても利用される。

［１−２．非線形フィードバック変調器の構成］
本実施形態に係る駆動制御装置１は、制御対象５０が例えば駆動機構およびバックラッシュ等の非線形要素を有する被動機構とからなる駆動システムである場合においても、駆動システム全体が精度よく、かつ滑らかに動作するように制御できるようにすることを目的とする。このため、本実施形態に係る駆動装置１では、非線形フィードバック変調器３０を、駆動機構５１や被動機構５２の不感帯やヒステリシス特性に対処可能に構成する。非線形フィードバック変調器３０により被動機構５２の不感帯やヒステリシス特性も考慮した制御を行うことで、駆動機構５１の制御のみでは駆動システム全体としての動作精度の向上に限界がある場合にも、さらに精度を向上させることができる。

本実施形態に係る非線形フィードバック変調器３０の一構成例について詳細に説明すると、図１に示すように、非線形フィードバック変調器３０は、加算部３０１、サンプルホールド（Ｓ／Ｈ）部３０２、量子化器３０３、非線形推定モデル３０４、減算部３０５、および伝達関数３０６を含む。

非線形フィードバック変調器３０に入力された制御信号ｕには、加算部３０１において伝達関数３０６の出力ｓ_０３が加算され、出力信号ｕ_Ｃとなる。出力信号ｕ_Ｃは、Ｓ／Ｈ部３０２において所定のサンプリング周期でサンプリングされる。ここで、サンプリング周期は、制御対象５０における入力信号（ここでは変調制御信号ｕ_Ｑ）の受付可能な時間間隔以上の時間である。Ｓ／Ｈ部３０２は、あるタイミングでサンプリングした出力信号ｕ_Ｃの値を、続くサンプリング周期の間、出力信号ｓ_０１として量子化器３０３に出力し続ける。

量子化器３０３は、出力信号ｓ_０１を、変調制御信号ｕ_Ｑのとりうる値として予め設定された離散値のいずれかに変換し、変換された値を変調制御信号ｕ_Ｑとして出力する。例えば、量子化器３０３は、出力信号ｓ_０１の値に最も近い離散値を変調制御信号ｕ_Ｑとして出力する。量子化器３０３で予め設定されている離散値は、例えば、不感帯幅の推定値と不感帯の誤差の推定値とに基づき段階的な値に設定してもよい。

量子化器３０３から出力された変調制御信号ｕ_Ｑは、制御対象５０に入力されるとともに、非線形推定モデル３０４に入力される。非線形推定モデル３０４は、変調制御信号ｕ_Ｑを、制御対象５０の非線形な入出力特性に基づいて変換して出力信号ｕ＾_Ｎ（ｕ＾はｕの上に＾が添えられているものとする。）とし、減算部３０５に出力する。つまり、非線形推定モデル３０４は、変調制御信号ｕ_Ｑを制御対象５０に入力した場合の出力をシミュレートしている。

この非線形推定モデル３０４は、プラント５０を構成する１または複数の構成要素を考慮した非線形モデルを有している。例えば非線形推定モデル３０４は、スティックスリップや配管膨張効果、バックラッシュ等の現象を考慮して構成される。非線形推定モデル３０４での演算は、制御対象５０の入出力特性を関数Ｈで表し、Ｙ＝Ｈ（ｕ_Ｑ）とする場合、ｓ_２＝Ｈ（ｕ_Ｑ）と表せる。関数Ｈは、一の入力値に対して出力値が一意に定まるものであれば任意に設定することが可能である。

ここで、本実施形態に係る非線形推定モデル３０４は、前回のプラント５０の出力値ｙ’に基づいて、変調制御信号ｕ_Ｑを補正する。すなわち、非線形フィードバック変調器３０は、非線形モデルを変更するための補正テーブルを保持しており、前回のプラント５０の出力値ｙ’に基づいて補正テーブルを参照し、非線形モデルの出力値を補正する。前回のプラント５０の出力値ｙ’は、駆動機構５１または被動機構５２のうち少なくともいずれか１つの情報を用いることができ、例えば、図１に示すように、計測器５４にて計測された測定値ｙ２を用いてもよい。このように、前回のプラント５０の出力値ｙ’を非線形推定モデル３０４の入力値として用いることで、非線形推定モデル３０４の推定精度を高めることができる。

ここで、非線形モデルの出力値を補正するために参照される補正テーブルは、予め設計された被動機構５２の非線形性のモデルに基づき、駆動機構５１の出力値と被動機構５２の出力値との差分に応じた補正入力を出力するための情報である。非線形フィードバック変調器３０は、例えば外力推定部により取得された被動機構５２の動作に影響する外力の推定値に基づき、補正テーブルから被動機構５２の非線形要素を考慮した被動機構５２の目標値を決定する。なお、被動機構５２に作用する外力の推定値を取得する外力推定部は、例えば、被動機構５２の動作に影響する外力の大きさおよび向きを推定するものである。

また、補正テーブルは、被動機構５２の非線形要素に基づいて予め設定された、被動機構５２に作用する外力と被動機構５２の目標速度との関係を表す情報である。被動機構５２に非線形要素がある場合、当該被動機構５２が動作時に非線形要素の影響を受ける非線形領域が存在する。非線形領域は、例えば被動機構５２にバックラッシュが生じる領域であったり、ガタが生じる領域であったりする。これより、補正テーブルは、例えば被動機構５２にバックラッシュ等の非線形要素の影響を受けて動作するときは当該非線形要素を解消する位置まで被動機構５２を速やかに移動させるよう出力を補正し、非線形要素の影響が解消した後は、出力を補正しないように設定される。補正テーブルは、被動機構５２の特性や被動機構５２が受ける外力等に応じて適宜設定される。このように、補正テーブルは、被動機構５２の出力の監視結果から、被動機構５２の非線形領域内での動作が速やかに回避されるように被動機構５２を動作させるための目標値を設定するための情報として用いられる。

このような非線形フィードバック変調器３０により、被動機構５２の非線形性と外力からの影響とを考慮して目標値の補正量を算出し、この補正入力を受けて駆動機構５１を制御することで、被動機構５２の非線形性による制御性低下を回避することが可能となる。

なお、非線形フィードバック変調器３０による制御信号の補正量の算出は、かかる例に限定されず、駆動機構５１の出力値または被動機構５２のいずれかを用いて補正することも可能である。駆動機構５１の出力値を用いて補正する場合には、駆動機構５１の特性により生じる目標値とのずれを適切に解消できると考えられる。一方、被動機構５２の出力値を用いて補正する場合には、駆動機構５１と被動機構５２との間に生じるバックラッシュ等による目標値とのずれを適切に解消できると考えられる。どの出力値を用いて制御量を補正するかは、適宜選択可能である。

図１の説明に戻り、減算部３０５では、非線形推定モデル３０４から入力される出力信号ｕ＾_Ｎを出力信号ｕ_Ｃから減算し、出力信号ｓ_０２として伝達関数３０６に出力する。ここで、出力信号ｓ_０２は、Ｓ／Ｈ部３０２に入力される連続値の制御信号ｕ_Ｃと、制御信号ｕ_ＣがＳ／Ｈ部３０２および量子化器３０３を経て変換された変調制御信号ｕ_Ｑを制御対象５０に入力した場合の出力（制御量）ｙのシミュレーション結果との偏差である。出力信号ｓ_０２は、伝達関数３０６を経て出力信号ｓ_０３となり、加算器３１で制御信号ｕに加算される。出力信号ｓ_０３を制御信号ｕに加算して出力信号ｕ_Ｃとすることによって、量子化器３０３における量子化誤差と、制御対象５０の動作の非線形要素による影響とが補償される。

ここで、伝達関数３０６のＱ（ｓ）は設計パラメータであり、Ｑ（∞）＝０を満たすプロパーな伝達関数である。Ｑ（ｓ）は、例えば以下の式（１）のように設定されうる。なお、ｈ（ｓｅｃ）は、Ｓ／Ｈ部３０２のサンプリング周期である。

以上、本実施形態に係る駆動制御装置１と、これが備える非線形フィードバック制御部３０の構成について説明した。本実施形態に係る駆動制御装置１では、非線形フィードバック変調器３０により駆動機構である駆動機構５１と被動機構５２との挙動（出力）とを監視し、フィードバック制御部２０により算出された制御信号が制御対象５０に対して最適な動作補正を指示するよう、制御信号を補正する。これにより、制御対象５０の応答性を高め、かつ系全体を安定させる。

なお、本実施形態に係る駆動制御装置１は、図１に示したように、制御対象（プラント）５０の出力として、計測器５４で計測された測定値ｙ２をプラント５０の出力値ｙ’として、フィードバック制御部２０および非線形フィードバック変調器３０にフィードバックしたが、本発明はかかる例に限定されない。例えば、図２に示すように、駆動機構（Ｐ１）５１の出力値を計測する計測器５３をさらに設け、計測器５３の計測値ｙ１および計測器５４で計測された測定値ｙ２をプラント５０の出力値ｙ’として、フィードバック制御部２０および非線形フィードバック変調器３０にフィードバックしてもよい。このように、駆動機構（Ｐ１）５１の計測値ｙ１を非線形推定モデル３０４の入力として利用することで、非線形推定モデル３０４の、バックラッシュのような履歴影響を受ける非線形要素の推定精度を高めることができる。

あるいは、図３に示すように、制御対象（プラント）５０に計測器５３、５４を設置する代わりに、制御対象（プラント）５０の出力値を推定する推定器８０を設けてもよい。推定器８０は、非線形フィードバック変調器３０の量子化器３０３を経て変換された変調制御信号ｕ_Ｑを制御対象５０に入力した場合の出力値（制御量）ｙ‘を推定し、非線形推定モデル３０４へ出力する。これにより、制御対象（プラント）５０に計測器５３、５４を設置するコストを削減することができる。このように、図１〜図３に示した非線形推定モデル３０４にフィードバックされる出力値ｙ’は、駆動機構（Ｐ１）５１の出力値を計測する計測器５３、被動機構（Ｐ２）５２の出力値を計測する計測器５４、あるいは制御対象（プラント）５０の出力値を推定する推定器８０のうち、少なくともいずれか１つにより出力された値を用いればよい。

＜２．具体例＞
以下、本実施形態に係る駆動制御装置１による駆動制御の一例を説明する。

［２−１．被動機構の非線形性への対応］
上述の駆動機構５１の駆動制御装置１による駆動制御では、制御対象５０の不感帯やバックラッシュ、スティックスリップ、ガタ、弾性変形等のヒステリシス特性、すなわち非線形要素の影響が考慮される。ここで、非線形要素には、入力の増加方向と減少方向とで同一入力値に対する出力値が異なるヒステリシス特性や、入力値が小さい間は出力値の比例係数が著しく小さく、入力値が所定値を超えると入出力関係を表す曲線の係数が安定して大きくなるロストモーション等も含まれる。ここで、駆動機構と被動機構とを備えるプラント６０として、外界との相互干渉を受けながら動作する具体的なモデルの一例を図３に示す。

図３に示すモデルは、駆動機構６３の駆動力により効果器６７を駆動して、効果器６７の倒立を維持するプラント６０のモデルである。駆動機構６３は、例えば、ポンプ等の駆動源６１によって往復運動するアクチュエータであって、駆動源６１と駆動機構６３との間には、バルブ等の駆動制御機構６２が設けられている。また、駆動機構６３の駆動力は、支持機構６５を介して効果器６７へ伝達される。なお、プラント６０には、駆動機構６３の変位を検出する駆動用センサ６４や、支持機構６５の変位を検出する被動用センサ６６を備えてもよい。

このようなプラント６０において、例えば、駆動制御機構６２と駆動機構６３とを連結する連結部材６２ａに弾性変形が生じたり、駆動機構６３には摩擦面間に生じる微視的な摩擦面の付着、滑りの繰り返しによって発生する自励振動（いわゆるスティックスリップ）が発生したりする。また、効果器６７を支持する支持機構６５にガタがあれば、バックラッシュ要素となる。このように、駆動機構６３の駆動力が効果器６７に伝達する途中には、弾性変形やスティックスリップ、バックラッシュのような非線形項が存在している。

このような非線形項の存在により、入力変位と出力変位とが比例する理想的な関係とは異なり、駆動機構６３の駆動変位と支持機構６５の動作変位との間にはズレが生じる。例えば、支持機構６５のバックラッシュについてみると、図３右側に示すように支持機構６５が位置Ｃ_１から右に傾いて位置Ｃ_２に移動されたとする。このとき、効果器６７は、バックラッシュの影響により支持機構６５と同様には傾かず、バックラッシュの影響がなくなる位置まで支持機構６５が傾いた後に漸く傾き始める。

すなわち、図５に示すように、中立位置（すなわち、入力変位が０の位置）から所定の範囲（例えば、入力変位が−ｘ_ａ〜ｘ_ａとなる範囲）においては、支持機構６５が駆動機構６３の駆動力によって動いても、効果器６７は動かず出力変位は変化しない。一方、中立位置から所定の範囲を超えて支持機構６５が変位したところで効果器６７が動く。このように、ある範囲においては駆動機構６３の駆動力が効果器６７へ伝達されず、効果器６７の位置制御への誤差となって制御精度を低下させる要因となる。

そこで、本実施形態に係る駆動制御方法では、非線形項の影響を補正テーブルとして保持し、駆動機構の出力および被動機構の出力から、補正テーブルに基づいて制御対象に対する外界の影響に応じた入力変調量を決定する。このように、プラント６０の出力値に基づきプラント６０の非線形モデルの出力値を補正し、適切な制御値を出力できるようにする。

一例として、図３に１軸機構に単純化して示したプラント６０の支持機構６５のバックラッシュについて考えると、支持機構６５に対する外界の影響は、時々刻々変化するものであるが、この外界の影響として定常的な風に例えて説明する。このとき、効果器６７に対する支持機構６５のバックラッシュの影響は、支持機構６５の動作の方向と速度とによって、効果器６７にとって追い風となるか、向かい風となるか、あるいは無風であるか、の３つ領域に分けて考えることができる。この関係を図６に示す。すなわち、図６は、バックラッシュのあるシステムが外界との干渉によって起きる挙動を示す説明図であり、補正テーブルの方案の一例である。

図６の横軸は被動機構である効果器６７の目標速度であり、縦軸は効果器６７への外力（慣性抵抗）である。図６の中立位置に対して、横軸正方向に向かうほど効果器６７は正方向に加速するように駆動され、横軸負方向に向かうほど効果器６７は負方向に加速するように駆動される。また、縦軸正方向に向かうほど効果器６７の移動を妨げる力が大きくなり、縦軸負方向に向かうほど効果器６７の移動を推進する力が大きくなる。なお、効果器６７への外力は、実際には操作中の外界の抵抗力、装置の重心アンバランスと姿勢、重力の関係による外力、また大きな加速度で動く機械にあっては操作の加速度と慣性モーメントとの積から考えられる慣性抵抗等の総和であり、時々刻々変化するものである。

また、図６に示すように、中立位置から所定の範囲内は支持機構６５にスティックスリップが生じるとする。このとき、支持機構６５を移動させる出力の補正量を、目標速度と外力とが比例関係にある理想関係とスティックスリップの影響を受ける範囲とを考慮して決定する。すなわち、スティックスリップの影響を受けて支持機構６５が変位しない範囲では、なるべく早く支持機構６５が動き出す状態となるようにスティックスリップ力まで外力を付与する。そして、スティックスリップ力と略同一の大きさの外力を付与した後は、支持機構６５の速度が理想関係におけるその外力での目標速度となるまで、同一大きさの外力を付与する。その後、支持機構６５の速度が理想関係におけるその外力での目標速度となると、理想関係に基づく制御が行われる。

このような制御をすると、支持機構６５を移動させる出力の補正量は、以下の２つのパターンに区分できる。

まず、効果器６７が大きな抵抗（向かい風）を受けながら進む領域（目標速度：正、外力：正）、および、進むには不充分な追い風で効果器６７が進む領域（目標速度：正、外力：負）では、バックラッシュ分を進めるよう駆動機構６３に指示する必要がある（図６のｆ１エリア）。また、効果器６７が大きな推進力（追い風）を受けながら戻る領域（目標速度：負、外力：負）、および、戻るには不充分な向かい風で効果器６７が戻る領域（目標速度：負、外力：正）では、同様に、バックラッシュ分を進めるよう駆動機構６３に指示する必要がある（図６のｆ２エリア）。

一方、効果器６７が大きな抵抗（向かい風）を受けながら戻る領域（目標速度：負、外力：正）では、バックラッシュ分を遅らせるように駆動機構６３に指示する必要がある（図６のｓ１エリア）。また、効果器６７が大きな推進力（追い風）を受けながら進む領域（目標速度：正、外力：負）では、同様に、バックラッシュ分を遅くするよう駆動機構６３に指示する必要がある（図６のｓ２エリア）。

本実施形態に係る駆動制御方法では、制御対象５０全体として安定して制御する出力を得るために、非線形フィードバック変調器３０により、このような図６に示すような補正テーブルの情報に基づき、非線形フィードバック変調器３０による補正量を決定する。補正テーブルは、装置毎、またシステム毎に適正な配置、数値を考える必要があるが、実際の操作から、振動発生や停止位置精度を評価指標として、実験的に決めてもよい。このような補正テーブルを非線形フィードバック変調器３０により参照し、入力の状態に応じて、事前に設定したバックラッシュ分の位置指令補正量を出力するように構成することで、被動機構５２の非線形性による位置決め制御の精度低下を回避することができる。

なお、図６に示すような補正テーブルの縦軸である外力は、時々刻々と変化するため、現在値を取得して、対応する入力変調量が非線形フィードバック変調器３０に入力される。このとき、外力の現在値は、センサによる実測値であってもよく、外力の状態を外乱オブザーバにより推定した推定値を用いてもよい。外乱オブザーバは、例えば実測値を測定する以外のセンサを用いて構成することができる。例えば図３のプラント６０の例では、駆動用センサ６４による駆動機構６３の変位出力と、被動用センサ６６による支持機構６５の変位出力とを計測して、これらの差からバックラッシュを検出し、バックラッシュの変化から外力を推定することが可能である。

さらには、駆動用センサ６４を設けられない場合には、駆動機構６３への指令値と事前に計測しておいた駆動機構の物理特性とに基づき駆動機構の出力を推定する推定オブザーバを構成し、駆動用センサの代わりに用いてもよい。

外力の推定値は、全てのサンプリング周期において正確に推定されなくても、全体の制御精度を著しく損なうことはない。これは、最終の出力を計測しているので、誤った外力の推定値に基づく制御指令が発せられても、その結果が最終的な効果器６７の位置決めの精度を低下させるような挙動となれば、制御系全体としては、出力を補正する方向へ指示値が変化する。したがって、かかる駆動制御装置１では、補正の効果を適切に修正し続けることができる。

なお、従来のシーケンサ等でのバックラッシュ制御では、指示速度の方向変換時に常にバックラッシュ分を補正する動作量を与える制御方式が用いられているが、かかる制御では外力の影響がない場合は有効であるが、外力の影響がある場合には制御精度は低下する。本実施形態に係る駆動制御方法のように、外力の影響も考慮することで、バックラッシュ分の補正動作が不要の場合の判断も可能となり、より精度の高い、また振動の少ない駆動制御を実現できる。

換言すると、従来の線形制御手法でも、被動機構の出力を直接計測して制御すれば、駆動機構から被動機構にかけての非線形性、特にバックラッシュのような履歴を伴う不感帯による影響を回避して制御できる可能性はある。しかし、従来の方策は準静的な動作においては有効だが、被動機構の慣性力が効果を発揮する領域や、変化する外力を受ける環境では、適切に制御できなくなる。

例えば、被動機構の動作の方向を急激に変換する場合の一例として、バックラッシュ区間を移動させる場合を考える。このとき、ダンピングの無い状態で偏差分だけの速度指令によって被動機構を制御すると、バックラッシュ区間の終了直前に過大な運動速度が発生し、目標速度、目標位置をオーバーする、いわゆるオーバーシュートが発生しやすくなる。一旦オーバーシュートが発生すると、これを解消するために再び被動機構の動作の方向変換が発生し、次のオーバーシュートに繋がる可能性がある。このように、被動機構は、連続して方向変換しオーバーシュート状態を繰り返すハンチングが生じて不安定な状態となってしまう。

このようなハンチングを回避するために、従来の方案では、偏差に対する速度指令のフィードバックゲイン係数を小さくし、制御システムとしては反応性を低下させて安定を図っていたため、被動機構の制御の応答性や精度を向上させることが困難であった。一方、本実施形態に係る駆動制御方法では、補正テーブルに基づいて、被動機構用ＦＢＭから、入力量に対して事前に計測されたバックラッシュ分の補正量のみを加える。これにより、被動機構のオーバーシュートを回避することができ、主制御系に高いフィードバックゲイン係数を用いることが可能となるため、システム全体として高い応答性と精度を両立させることができる。

［２−２．駆動機構の駆動制御］
本実施形態に係る駆動機構５１の駆動制御は、まず、非線形フィードバック変調器３０により、駆動機構５１の非線形特性を補完する量子化マップに基づいて、連続値制御信号から離散値制御信号が生成される。離散値制御信号は、例えば駆動機構５１が油圧シリンダであるとき、油量（すなわち弁開度）を表す。駆動機構５１は離散値制御信号に基づき駆動され、駆動機構５１の駆動によって被動機構５２が駆動する。このときの駆動機構５１の速度および被動機構５２の速度が非線形フィードバック変調器３０に入力される。

次いで、非線形フィードバック変調器３０は、駆動機構５１の出力である速度と当該駆動機構５１により駆動された被動機構５２の出力である速度との差分を演算する。非線形フィードバック変調器３０は、上述したような補正テーブルに基づき、被動機構５２の出力の補正量を決定し、最終的に駆動機構５１に関する補正量を決定する。

ここで、具体例として、図６に示した補正テーブルの一例を用いて、非線形フィードバック変調器３０により駆動機構５１に関する補正量を決定する手順を図７に示す。非線形フィードバック変調器３０は、まず、最新の制御周期タイミングでの駆動機構と被動機構との実現値の差から得られる実現バックラッシュ量が、最大バックラッシュ量の絶対値と等しいか否かを判定する（Ｓ１００）。最大バックラッシュ量は、図５に示す被動機構５２の出力変位が変化しない最大入力変位であり、被動機構５２から予め計測されて取得されている。ステップＳ１００により、被動機構５２がバックラッシュ領域を移動しているか否かが判定される。

実現バックラッシュ量と最大バックラッシュ量の絶対値とが等しいときには、駆動機構５１からの伝達力はそのまま被動機構５２へ伝達され、外力による影響はないため、前回の外力の推定値をそのまま今回の外力の推定値とする（Ｓ１１０）。一方、実現バックラッシュ量と最大バックラッシュ量の絶対値とが異なる値の場合には、駆動機構５１からの伝達力はそのまま被動機構５２へ伝達されず、被動機構５２の動きは外力に影響を受けるため、外力推定部により外力の推定値が算出される（Ｓ１２０）。

外力は、被動機構の先端側の慣性質量と計測された速度変化（すなわち加速度）とに基づき算出することができ、例えば、被動機構５２の速度の変化量を、被動機構５２の重量にサンプリング時間を掛けた値で割ることにより算出することができる。外力推定部は、ステップＳ１２０にて算出した外力に対してサンプリング周期に応じた平均化処理を行い、推定値とする（Ｓ１３０）。

非線形フィードバック変調器３０は、外力の推定値が算出されると、直近ｎ回の外力の向きと被動機構５２の速度の向きとが逆向きであるか否かを判定する（Ｓ１４０）。直近ｎ回の外力の向きと被動機構５２の速度の向きとが逆向きであるとき、外力は被動機構５２の移動を妨げる抵抗力として被動機構５２に作用していると考えられる。そこで、被動機構５２の応答性を高めるため、この場合には推定された外力の向きを被動機構５２の速度の向きと逆に設定し、フィードフォワード的な応答を促すようにする（Ｓ１５０）。評価に用いる過去の外力の履歴の数ｎは、例えば数回程度としてもよい。なお、直近ｎ回の外力の向きと被動機構５２の速度の向きとがすべて逆向きの場合以外には、推定された外力の向きはそのままとする。非線形フィードバック変調器３０は、こうして外力の値を取得する。

なお、外力の推定値の算出方法は、図７に示したように被動機構５２の出力（実現値）と駆動動機である駆動機構５１の出力（実現値）とを比較して算出する方法以外であってもよい。例えば、予め計算結果をいくつかサンプリングして外力を推定するための外力推定テーブルを作成し、当該外力推定テーブルを参照して外力値を推定するようにしてもよい。また、外力の推定値は、計算により取得する以外に、例えば、被動機構５２の先端部に外力を測定するセンサを直接設けて取得してもよい。

非線形フィードバック変調器３０は、いずれの方法を用いた場合においても、取得した外力の推定値および向きを数秒〜数十秒間蓄積し、全システムが関わっている環境の状態を連続的に推定し続ける。例えば、外力推定部が被動機構５２の加速度および慣性質量に基づき外力の推定値の取得していた場合、被動機構５２がバックラッシュ領域を通過してしまうと外力を推定できなくなる。そこで、外力の推定値および向きを所定時間記憶しておくことで、外力の推定値を取得できなくなることを防止できる。また、ステップＳ１５０のように、被動機構５２に作用している力を外力とみなすか否かを判定するためにも利用することができる。

このように、全システムが関わっている環境の状態を連続的に推定し続けることで、バックラッシュ等の非線形要素を有するシステムにおいて安定かつ高精度に被動機構５２の速度および位置を制御することができる。なお、外力の推定値および向きは、フィードバック変調器３０内のメモリ（図示せず。）に記憶してもよく、非線形フィードバック変調器３０と通信可能に接続された外部の記憶装置（図示せず。）に記憶してもよい。

非線形フィードバック変調器３０は、外力の推定値およびその向きを取得すると、図６に示すような補正テーブルを参照し、全システムが関わっている環境の状態から、被動機構５２を目標制御位置に位置させるための目標速度を取得し、補正量とする。

本実施形態に係る駆動機構５１の駆動制御方法では、非線形フィードバック変調器３０により、駆動機構５１の出力を線形化して制御精度を向上させる。さらに、非線形フィードバック変調器３０により、その駆動機構５１の出力から効果器まで駆動力と動きを伝達する被動機構５２の非線形性をモデル化し、その出力を線形化することで制御精度を向上させる。これにより、同じ操作量を操作対象５０に入力しても、駆動機構５１や被動機構５２の摩擦、ガタ等の非線形要素の影響によって出力量が変動する等、連続値制御信号を用いて駆動機構を駆動制御しても十分な線形性、制御精度が得られない場合でも、制御対象５０の制御精度を向上できるとともに、滑らかな動きを実現できる。

＜３．適用例＞
図８に、マニピュレータ型建機７０への実装例を示す。図８に示すマニピュレータ型建機７０は、車体７１に４つの車輪７２を備えて移動可能である。車体７１には、効果器７９を先端に保持するマニピュレータ部７８が、回転部７５を介して回転可能に支持されている。マニピュレータ部７８は、例えば第１のリンク部７８ａと第２のリンク部７８ｂとから構成される。マニピュレータ部７８を回転させる駆動機構として油圧モータ７３が設けられており、被動機構としてギア７４が存在する。ギア７４が回転することで当該ギア７４と噛み合う回転部７５が回転し、車体７１に対してマニピュレータ部７８が回転される。また、マニピュレータ部７８は、第１のリンク部７８ａおよび第２のリンク部７８ｂからなり、アクチュエータ７７ａ、７７ｂを駆動させることで、第１のリンク部７８ａおよび第２のリンク部７８ｂの位置を変化させることができる。

マニピュレータ型建機７０には、油圧モータ７３の変位を検出する計測器であるアクチュエータセンサ５３ａと、回転部７５の回転よりマニピュレータ部７８の変位を検出するマニピュレータ回転センサ５４ａとが設けられている。また、マニピュレータ部７８には、第１のリンク部７８ａの角度変位を検出する第１角度センサ５４ｂと、アクチュエータ７７ａの変位を検出する第１アクチュエータ変位センサ５３ｂとが設けられている。さらに、マニピュレータ部７８には、第２のリンク部７８ｂの角度変位を検出する第２角度センサ５４ｃと、アクチュエータ７７ｂの変位を検出する第２アクチュエータ変位センサ５３ｃとが設けられている。なお、アクチュエータセンサ５３ａ、第１アクチュエータ変位センサ５３ｂおよび第２アクチュエータ変位センサ５３ｃは、図１または図２に示した被動機構（Ｐ２）５２の出力を計測する計測器５４に相当する。また、マニピュレータ回転センサ５４ａ、第１角度センサ５４ｂおよび第２角度センサ５４ｃは、図２に示した駆動機構（Ｐ１）５１の出力を計測する計測器５３に相当する。

このようなマニピュレータ型建機７０においては、ギア７４のギアバックラッシュや、マニピュレータ部７８の第１のリンク部７８ａと第２のリンク部７８ｂとの間の隙間のガタ等のような、被動機構の非線形項が存在する。そこで、本実施形態に係る駆動制御方法を用いることで被動機構の非線形項を考慮した制御が行われるため、マニピュレータ型建機７０をより微細で滑らかに動作させることができる。特に、被動機構が増えて多軸機構となると、従来制御精度は低下する傾向にあるが、本実施形態に係る駆動制御方法を適用することで各軸の非線形性が除去され、滑らかで精密な動作を実現できる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１ 駆動制御装置
１０ 制御偏差部
２０ フィードバック制御部
３０ 非線形特性補償型フィードバック変調器（非線形フィードバック変調器）
４０ フィードフォワード制御部
５０ 制御対象
５１ 駆動機構
５２ 被動機構
６０ プラント
６１ 駆動源
６２ 駆動制御機構
６３ 駆動機構
６４ 駆動用センサ
６５ 支持機構
６６ 被動用センサ
６７ 効果器

Claims (10)

1. 被動機構と、前記被動機構を駆動するアクチュエータとを備えるプラントにおいて、前記アクチュエータを駆動するための制御値である連続値制御信号を量子化し、離散値制御信号として前記アクチュエータに入力する、アクチュエータの駆動制御方法であって、
   制御目標値と、前回の前記アクチュエータが駆動したときの前記被動機構の出力値とに基づいて、次回の前記アクチュエータの制御値である連続値制御信号を算出する連続値制御信号算出ステップと、
   前回の前記プラントの出力値に基づいて、算出された前記連続値制御信号を補正する補正ステップと、
   アクチュエータの非線形特性を補完する量子化マップに基づいて前記連続値制御信号を量子化し、前記離散値制御信号として前記アクチュエータへ出力する離散値制御信号算出ステップと、
   を含む、アクチュエータの駆動制御方法。
2. 前記補正ステップでは、前回のプラントの出力値として、前回の前記アクチュエータの出力値または前記被動機構の出力値のうち少なくともいずれか一方を用いる、請求項１に記載のアクチュエータの駆動制御方法。
3. 前記離散値制御信号算出ステップでは、
   外力推定部により前記被動機構に作用する外力の推定値を取得し、
   非線形要素を有する前記被動機構に作用する外力と当該被動機構の目標速度との関係を表す情報である補正テーブルに基づいて、前記外力の推定値から前記被動機構に関する動作補正の出力を決定する、請求項１または２に記載のアクチュエータの駆動制御方法。
4. 前記補正テーブルは、前記被動機構が非線形要素の影響を受けて動作するときは当該非線形要素を解消する位置まで前記被動機構を移動させるよう出力を補正し、非線形要素の影響が解消した後は、出力を補正しないように設定される、請求項３に記載のアクチュエータの駆動制御方法。
5. 前記外力推定部は、前記被動機構の加速度および慣性質量に基づいて外力の推定値を算出する、請求項３または４に記載のアクチュエータの駆動制御方法。
6. 前記外力推定部は、前記被動機構に設けられた外力検出センサの検出値を外力の推定値として取得する、請求項３または４に記載のアクチュエータの駆動制御方法。
7. 前記外力推定部により取得された外力の推定値は所定の期間蓄積される、請求項３〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動制御方法。
8. 前記非線形要素は、前記被動機構のバックラッシュである、請求項３〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動制御方法。
9. 前記被動機構の出力は、実測値または外乱オブザーバによる推定値である、請求項１〜８のいずれか１項に記載のアクチュエータの駆動制御方法。
10. 被動機構と、前記被動機構を駆動するアクチュエータとを備えるプラントにおいて、前記アクチュエータを駆動するための制御値である連続値制御信号を量子化し、離散値制御信号として前記アクチュエータに入力する、アクチュエータの駆動制御装置において、
    制御目標値と、前回の前記アクチュエータが駆動したときの前記被動機構の出力値とに基づいて、次回の前記アクチュエータの制御値である連続値制御信号を算出する制御部と、
    前回の前記プラントの出力値に基づいて、算出された前記連続値制御信号を補正し、アクチュエータの非線形特性を補完する量子化マップに基づいて前記連続値制御信号を量子化し、前記離散値制御信号として前記アクチュエータへ出力する非線形フィードバック変調器と、
    を備える、アクチュエータの駆動制御装置。
    

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