JP2019126903A - 自動制御装置及び自動制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力軸の回転角度をモータデバイスの出力軸に加わるトルクの大きさに対応して効果的に調整することができる自動制御装置及び自動制御方法を提供する。【解決手段】コントローラとモータデバイスとを備える自動制御装置が提供される。モータデバイスは出力軸を備える。コントローラはモータデバイスが非固定モード又は固定モードで操作されるようにモータデバイスを駆動する。モータデバイスが固定モードで操作される場合、モータデバイスの出力軸の回転角度は目標角度に維持される。コントローラが出力軸の回転角度が変化していると判定し、コントローラが現在角度と目標角度の差が閾値角度を超えていると判定した場合、コントローラは出力軸がリセットされた目標角度に維持されるように現在角度によって目標角度をリセットする。また、自動制御方法も提供される。【選択図】図１

Description

本開示は、制御技術に係り、特に自動制御装置及び自動制御方法に関する。

技術の進歩に伴い、日常生活における自動制御技術の応用、特に多軸コントローラから構成されるロボットやロボットアームが普及している。この種の多軸制御システムは複数の関節継ぎ手を備え、平坦空間又は３次元空間における動きや線形移動を利用した動きを可能にする。構造的にこのような制御システムは、機械的本体、制御デバイス、サーボ機構、及びセンサから構成され、いくつかの特定動作は、操作上の必要条件に従ったプログラムによって設定される。

例えば、典型的なロボット又はロボットアームの場合、ある姿勢を設定したい場合、ロボット又はロボットアームのコントローラはまず、ジョイントにあるモータデバイスにリラックス操作を行う必要がある。次に、ユーザがロボット又はロボットアームを特定の位置に引っ張った後、ロボット又はロボットアームのコントローラはモータデバイスの回転角度を読み取って記録する。しかしながら、ロボット又はロボットアームが複数のジョイントを有する場合、上述の操作を行うことは容易でない。つまり、ロボット又はロボットアームは重力の影響を受けて垂れ下がるため、ユーザがロボット又はロボットアームの姿勢をそのまま維持することは容易でない。したがって、便利な姿勢調整機能を有する自動制御装置をどのように設計するかは、この分野における現在の重要な課題である。

本開示は、出力軸の回転角度をモータデバイスの出力軸に加わるトルクの大きさに対応して効果的に調整することができる自動制御装置及び自動制御方法を提供する。したがって、本開示の自動制御装置は、便利な姿勢調整機能を有することができる。

本開示の自動制御装置は、モータデバイスとコントローラとを備える。モータデバイスは出力軸を備える。コントローラはモータデバイスに結合される。コントローラは、モータデバイスが非固定モード又は固定モードで操作されるようにモータデバイスを駆動する。モータデバイスが非固定モードで操作されるとき、出力軸は自由回転状態にある。モータデバイスが固定モードで操作されるとき、出力軸は非自由回転状態にある。モータデバイスが固定モードで操作されるとき、出力軸の回転角度は目標角度に維持される。コントローラが出力軸の回転角度が変化していると判定し、コントローラが現在角度と目標角度の差が閾値角度を超えていると判定した場合、コントローラは、出力軸がリセットされた目標角度に維持されるように現在角度によって目標角度をリセットする。

本開示の自動制御方法は自動制御装置に適応している。自動制御装置はコントローラとモータデバイスとを備え、モータデバイスは出力軸を備える。１つの例示的な実施形態の自動制御方法は次のように提供される。モータデバイスは、モータデバイスが非固定モード又は固定モードで操作されるようにコントローラによって駆動される。本明細書では、モータデバイスが非固定モードで操作されるとき、モータデバイスの出力軸は自由回転状態にあり、モータデバイスが固定モードで操作されるとき、出力軸は非自由回転状態にある。モータデバイスが固定モードで操作されるとき、出力軸の回転角度は目標角度に維持される。コントローラが出力軸の回転角度が変化していると判定し、コントローラが現在角度と目標角度の差が閾値角度を超えていると判定した場合、目標角度は、出力軸がリセットされた目標角度に維持されるように、現在角度を使用してコントローラによってリセットされる。

以上に基づいて、本開示の自動制御装置及び自動制御方法は、モータデバイスの出力軸の回転角度を微調整するかどうかを、ユーザによって加えられる力が生じさせる回転角度の変化によって決定できる操作方法を提供する。したがって、本開示の自動制御装置は、便利な姿勢調整機能を提供することができる。

本開示の上記及び他の特徴及び利点をより分かりやすくするために、図面を伴ういくつかの実施形態を以下で詳しく説明する。

添付図面は本開示のさらなる理解のために含められ、本明細書に組み込まれてその一部を構成する。図面は本開示の例示的な実施形態を示し、記述とともに本開示の原理を説明する働きをする。

本開示のある実施形態に係る自動制御装置を示すブロック図。 本開示のある実施形態に係るモータデバイスの模式的正面図。 本開示のある実施形態に係るモータデバイスの模式的側面図。 本開示のある実施形態に係る自動制御装置を示す模式図。 本開示のある実施形態に係る自動制御装置を示す模式図。 本開示のある実施形態に係る自動制御方法を示すフローチャート。 本開示の別の実施形態に係る自動制御方法を示すフローチャート。

本開示をより分かりやすくするために、いくつかの実施形態を本開示の例として以下に説明する。ただし、本開示は、例示された実施形態に限定されないことに留意すべきである。また、適切な場合には、いくつかの実施形態を組み合わせることができる。さらに、適切な場合には、同じ参照番号が付された要素／コンポーネント／ステップは、図面及び実施形態において同一又は類似の部分を表すために使用される。

図１は、本開示のある実施形態に係る自動制御装置を示すブロック図である。図１を参照すると、自動制御装置１００は、コントローラ１１０とモータデバイス１２０とを備える。モータデバイス１２０はコントローラ１１０に結合されている。モータデバイス１２０は、出力軸１２１と、出力軸エンコーダ１２３と、制御モジュール１２５と、モータ１２７と、ギアモジュール１２９とを備える。この実施形態では、制御モジュール１２５はモータ１２７と結合されてモータ１２７を制御する。モータ１２７は、出力軸１２１及びギアモジュール１２９に組み付けられて出力軸１２１及びギアモジュール１２９を駆動する。出力軸エンコーダ１２３は出力軸１２１に結合されている。一実施形態では、出力軸エンコーダ１２３は、例えば３００度の角度範囲を有する可変抵抗器を備える。例えば可変抵抗器の２つの端部は５ボルトの電圧に結合することができ、出力軸１２１が回転するとき、可変抵抗器の抵抗は出力軸１２１の回転角度に対応して変化する。その結果、出力軸エンコーダ１２３は、これに対応して可変抵抗器の抵抗を読み取ることによって出力軸１２１の回転角度を取得する。

この実施形態では、モータデバイス１２０は、例えば単軸スマートサーボモータであってよいが、本開示はこれに限定されない。この実施形態では、モータデバイス１２０はコントローラ１１０のコマンドを受信して対応する操作を実行する。コントローラ１１０のコマンドは、例えば固定コマンドと、リラックスコマンドと、回転角度読取りコマンドと、目標角度設定コマンドとを含む。この実施形態では、固定コマンドは、モータデバイス１２０の出力軸１２１が目標角度に維持されることを意味する。リラックスコマンドは、モータデバイス１２０の出力軸１２１が自由に回転可能であることを意味する。回転角度読取りコマンドは、コントローラ１１０が出力軸１２１の現在角度を読み取って記録することを意味する。目標角度設定コマンドは、コントローラ１１０が出力軸１２１を駆動して、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御理論を用いて目標角度まで回転させ、目標角度に出力軸を固定する。

この実施形態では、コントローラ１１０は、例えば中央処理装置（ＣＰＵ）、汎用又は特別用途のシステムオンチップ（ＳｏＣ）若しくは他のプログラマブルマイクロプロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、プログラマブルコントローラ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理デバイス（ＰＬＤ）、他の同様の処理デバイス、又は上記デバイスの組み合わせである。

例えばこの実施形態では、コントローラ１１０は、モータデバイス１２０が非固定モード又は固定モードで操作されるようにモータデバイス１２０を駆動するように適合される。この実施形態では、モータ１２７は、コントローラ１１０が供給するギアモジュール１２９を駆動するための駆動信号によって制御され、これによってギアモジュール１２９が出力軸１２１を回転させる。つまり、モータ１２７が動作しているとき、モータ１２７はギアモジュール１２９及び出力軸１２１を駆動して回転させ、その結果、出力軸１２１に接続された被制御部材は出力軸１２１が回転するときに特定の軸に沿って移動することができる。さらに、一実施形態では、出力軸エンコーダ１２３は出力軸１２１に結合されている。出力軸エンコーダ１２３は、出力軸１２１の回転角度をコントローラ１１０に提供するように適合され、その結果、コントローラ１１０は出力軸１２１の現在の回転角度を記録したり、現在の回転角度に応じて特定の判定動作を行ったりする。しかしながら、この実施形態におけるモータの内部コンポーネントは、それぞれこの分野の常識の教示、示唆及び説明から十分理解することができる。したがって、以下ではその詳細を繰り返さない。

ただし、ここで留意すべきは、一実施形態では、自動制御装置１００は、例えば複数の回転可能なジョイント機構を有するロボットであり、回転可能なジョイント機構のそれぞれは１つ以上のモータデバイス１２０から構成されることである。その結果、自動制御装置１００が複数のモータデバイス１２０を備える場合、コントローラ１１０はシリアルポートでモータデバイス１２０に結合することができ、コントローラ１１０は、モータデバイス１２０のそれぞれが本開示の実施形態のそれぞれに記載の自動制御方法を（順次又は同時に）独立に実行できるようにモータデバイス１２０を順次又は同時に駆動することができる。

図２Ａは、本開示のある実施形態に係るモータデバイスの模式的正面図である。図２Ｂは、本開示のある実施形態に係るモータデバイスの模式的側面図である。図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、モータデバイス２２０のデバイス本体は、出力軸２２１と被制御部材２２２とを備える。図２Ａでは、出力軸２２１は方向Ｙに延び、出力軸２２１及び被制御部材２２２は、方向Ｘ及び方向Ｚにより形成される平面で回転する。図２Ｂでは、モータデバイス２２０は被制御部材２２２に対して固定状態にあり、被制御部材２２２は回転可能状態にある。

この実施形態では、出力軸２２１は、被制御部材２２２が出力軸２２１の回転と連動して動くように被制御部材２２２と結合されている。この実施形態では、モータデバイス２２０の出力軸２２１の回転範囲θは０度から３００度の範囲にあるが、本開示はこれに限定されない。つまり、出力軸２２１の回転範囲θは図２Ａに示すようなものであってよい。回転範囲θは回転限界Ａから回転限界Ａ’の範囲である。さらに、この実施形態では、モータデバイス２２０は１０２４ステップの分解能を有するが、本開示はこれに限定されない。一実施形態では、出力軸２２１の回転範囲は、例えば０度から３６０度の範囲又は他の回転範囲にあってもよく、モータデバイス２２０の分解能は、例えば５１２、１０２４又は２０４８ステップなどであってもよい。

さらに、この実施形態では、被制御部材２２２は方向Ｙと反対側の他の機械部材と結合することができる。つまり、被制御部材２２２は出力軸２２１の回転と連動して動き、他の機械部材と結合して、ロボットアームやロボットなどの自動制御装置を構成する。さらに、この実施形態では、モータデバイス２２０が非固定モードで操作されるとき、出力軸２２１は自由回転状態にある。モータデバイス２２０が固定モードで操作されるとき、出力軸２２１は非自由回転状態にある。自由回転状態とは、出力軸２２１が外力の影響を受けるように回転範囲θ内で自由に回転できることを意味することに留意すべきである。非自由回転状態とは、出力軸２２１が回転後の位置に固定されているか否かを、出力軸２２１に加わるトルクが生じさせる回転角度の変化が閾値角度を超えているか否かによって判定できることを意味する。

図３Ａ及び図３Ｂは、本開示のある実施形態に係る自動制御装置を示す模式図である。図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、自動制御装置３００は、モータデバイス３２０と機械部材３２３とを備える。この実施形態では、モータデバイス３２０のデバイス本体は、出力軸（図示せず）と被制御部材３２２とを備え、モータデバイス３２０はさらに、上記図１の実施形態に記載のコントローラ１１０と種々の内部コンポーネントとを備えることができる。この実施形態では、機械部材３２３は、機械部材３２３が被制御部材３２２の回転と連動して動くように被制御部材３２２と結合されている。

しかしながら、一実施形態では、自動制御装置３００は、例えば自動制御装置３００をそれぞれが独立に操作される複数のモータデバイス３２０で構成することもできるロボットアーム又はロボットであってよい。そしてそれぞれが独立に操作されるか、又は順次に操作されるようにコントローラ１１０によって統合されるこれらのモータデバイス３２０は、それぞれが本開示のそれぞれの実施形態に記載の自動制御方法を実行することができる。

図４は、本開示のある実施形態に係る自動制御方法を示すフローチャートである。図３Ａ、図３Ｂ及び図４を参照すると、図３Ａにおいて、モータデバイス３２０が非固定モードで操作される場合、モータデバイス３２０の出力軸は自由回転状態にある。ユーザが外力を加えない場合、機械部材３２３は回転位置Ｂに維持され、ここで出力軸の回転角度は（回転限界Ａから回転位置Ｂまでの）予め設定された目標角度θ１である。一方、ユーザが機械部材３２３に力Ｆを方向Ｚに加えるときは、力Ｆによって生じる回転角度の変化が閾値角度を超える場合、機械部材３２３及び出力軸は回転する。この実施形態では、力Ｆの単位は、例えばニュートン（Ｎ）である。さらに、この実施形態では、自動制御装置３００は、ユーザが加えた力に応じて機械部材３２３が出力軸の目標角度を自動的に調整できるように図４に示す自動制御方法を実行する。

具体的には、ステップＳ４１０において、自動制御装置３００は、出力軸の現在角度と目標角度の差が閾値角度を超えているかどうかを判定する。超えている場合には、自動制御装置３００はステップＳ４２０を実行する。超えていない場合には、自動制御装置３００は判定を終了する。ステップＳ４２０では、自動制御装置３００は、現在角度を使用することによって目標角度をリセットする。さらに、この実施形態の自動制御方法では、ステップＳ４１０及びステップＳ４２０は、時間長さＴの間隔で繰り返し実行することができる。一実施形態では、時間長さＴは、例えば１秒、５００ミリ秒、１０００ミリ秒などである。時間長さＴは、本開示によって限定されない異なる設備要求又は感度設計に応じて決定することができる。

つまり、自動制御装置３００は、出力軸の回転角度が変化しているか否かを判定する。図３Ｂに示すように、自動制御装置３００が出力軸の現在角度θ１＋αと目標角度θ１の差が閾値角度を超えていると判定する場合は、自動制御装置３００は、現在角度θ１＋αを使用することによって目標角度θ１をリセットし、その結果、出力軸はユーザが加える力Ｆを受けていない間、（回転限界Ａから回転位置Ｂ’までの）リセットされた目標角度θ２に維持することができる。つまり、出力軸の追加された回転角度αが閾値角度を超えているため、出力軸はリセットされた目標角度θ２（θ２＝θ１＋α）に維持され、機械部材３２３は回転位置Ｂ’に維持される。これに対し、一実施形態では、自動制御装置３００が出力軸の現在角度θ１＋αと目標角度θ１の差が閾値角度を超えていないと判定した場合は、自動制御装置３００は目標角度θ１をリセットしない。結果として、ユーザが力Ｆを加えることをやめるとき、機械部材３２３は、回転位置Ｂに維持されるように現在角度θ１＋αから目標角度θ１に戻る。

しかしながら、ここで上述の閾値角度の大きさは、機械部材３２３をユーザが加える力を受けていない間、現在の目標角度θ１の位置に維持できるように、機械部材３２３に影響を及ぼす重力に応じて設計されることに留意すべきである。つまり、機械部材３２３に影響を及ぼす重力によって生じる回転角度は上述の閾値角度を超えない。結果として、モータデバイス３２０が固定モードで操作されるとき、ユーザが機械部材３２３に力を加えていなくても、機械部材３２３及び出力軸は、予め設定された目標角度θ１の位置に維持することができる。さらに、上述の閾値角度は、例えば出力軸が４ステップだけ回転したときの角度変化量である。つまり、１０２４ステップの分解能及び３００度の回転範囲を有するモータデバイスを例にとれば、出力軸が４ステップだけ回転するときの角度変化量は、およそ１．１７度（（３００／１０２４）×４≒１．１７）に等しいが、本開示はこれに限定されない。

図５は、本開示の別の実施形態に係る自動制御方法を示すフローチャートである。図３Ａ、図３Ｂ及び図５を参照すると、図５に示す自動制御方法は、例えば図３Ａ及び図３Ｂの自動制御装置に適応している。ステップＳ５１０において、自動制御装置３００は、モータデバイス３２０が非固定モード又は固定モードで操作されるようにコントローラによってモータデバイス３２０を駆動する。モータデバイス３２０が非固定モードで操作されるとき、モータデバイス３２０の出力軸は自由回転状態にある。モータデバイス３２０が固定モードで操作されるとき、出力軸は非自由回転状態にある。ステップＳ５２０において、モータデバイス３２０が固定モードで操作されるとき、出力軸の回転角度は目標角度θ１に維持される。ステップＳ５３０において、自動制御装置３００がコントローラによって出力軸の回転角度が変化していると判定し、コントローラが現在角度θ１＋αと目標角度θ１の差が閾値角度を超えていると判定した場合は、コントローラは、出力軸がリセットされた目標角度θ２（θ２＝θ１＋α）に維持されるように、現在角度θ１＋αを使用することによって目標角度θ１をリセットする。結果として、モータデバイス３２０が固定モードで操作されるとき、この実施形態の自動制御装置３００は、モータデバイス３２０の出力軸に加わるトルクがもたらす回転角度の変化の度合いに応じて出力軸を回転後の位置に固定するか否かを効果的に決定することができる。

さらに、この実施形態における自動制御装置及びモータデバイスの他の特徴及び実施形態は、図１から図３Ｂの実施形態の教示、示唆及び説明から十分理解することができる。したがって、以下ではその詳細を繰り返さない。

要約すると、本開示の自動制御装置及び自動制御方法は、モータデバイスの出力軸の回転角度を効果的に微調整することができる操作方法を提供する。モータデバイスが固定モードで操作されるとき、モータデバイスの出力軸は目標角度の位置に維持される。モータデバイスが固定モードで操作される場合において、ユーザがモータデバイスの出力軸に力を加える場合は、モータデバイスの出力軸はユーザが加えた外力によって回転し、回転角度が予め設定された閾値角度を超えるとき、本開示のモータデバイスの出力軸は、調整された回転角度の位置に維持することができる。したがって、本開示の自動制御装置は便利な姿勢調整機能を提供することができる。

実施形態は既に上記のように開示されているが、これらの実施形態は本開示の範囲の制限と解釈すべきではない。本開示の範囲又は精神から逸脱することなく、開示された実施形態に様々な修正及び変形を行えることは当業者には明白であろう。以上に鑑み、本開示は、以下の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲に入るならば本開示は修正及び変形をカバーすることが意図されている。

本開示の自動制御装置及び自動制御方法は、自動制御製品及びその制御方法に適用することができる。

１００、３００：自動制御装置
１１０：コントローラ
１２０、２２０、３２０：モータデバイス
１２１、２２１：出力軸
１２３：出力軸エンコーダ
１２５：制御モジュール
１２７：モータ
１２９：ギアモジュール
２２２、３２２：被制御部材
３２３：機械部材
Ａ、Ａ’：回転限界
Ｂ、Ｂ’：回転位置
Ｆ：力
Ｓ４１０、Ｓ４２０、Ｓ５１０、Ｓ５２０、Ｓ５３０：ステップ
Ｘ、Ｙ、Ｚ：方向
θ：回転範囲
θ１、θ２、α：角度

Claims (15)

1. 出力軸を備えたモータデバイスと、
   前記モータデバイスに結合され、前記出力軸が自由回転状態にある非固定モード又は前記出力軸が非自由回転状態にある固定モードで前記モータデバイスが操作されるように、前記モータデバイスを駆動するコントローラとを備え、
   前記モータデバイスが前記固定モードで操作されるとき、前記出力軸の回転角度は目標角度に維持され、
   前記コントローラが前記出力軸の前記回転角度が変化していると判定し、前記コントローラが現在角度と前記目標角度の差が閾値角度を超えていると判定した場合、前記コントローラは、前記出力軸がリセットされた目標角度に維持されるように前記目標角度を前記現在角度によってリセットすることを特徴とする自動制御装置。
   自動制御装置。
2. 前記コントローラが前記現在角度と前記目標角度の差が前記閾値角度を超えていないと判定した場合、前記コントローラは前記出力軸を前記目標角度に戻るように駆動する、請求項１に記載の自動制御装置。
3. 前記モータデバイスの前記出力軸の回転範囲は０度から３００度の範囲にある、請求項１又は２に記載の自動制御装置。
4. 前記モータデバイスは１０２４ステップを有し、前記閾値角度は前記出力軸が４ステップだけ回転するときの角度変化量である、請求項１乃至３のいずれかに記載の自動制御装置。
5. 前記モータデバイスが前記固定モードで操作されるとき、前記コントローラは、前記出力軸の前記回転角度がある時間長さの間隔で変化しているかどうかを再判定する、請求項１乃至４のいずれかに記載の自動制御装置。
6. 前記モータデバイスは単軸スマートサーボモータである、請求項１乃至５のいずれかに記載の自動制御装置。
7. 前記モータデバイスの前記出力軸と結合され、外力を受けたときに前記出力軸にトルクを発生するように前記出力軸と連動して動く機械部材をさらに備える、請求項１乃至６のいずれかに記載の自動制御装置。
8. 前記モータデバイスはさらに、
   前記出力軸に結合された、前記出力軸の前記回転角度を取得するための出力軸エンコーダと、
   前記出力軸エンコーダに結合された制御モジュールと、
   前記制御モジュールに結合されたモータであって、前記制御モジュールが前記モータを駆動するように適合されたモータと、
   前記モータ及び前記出力軸に結合されたギアモジュールであって、前記ギアモジュール及び前記出力軸が互いに連動して動くギアモジュールとを備える、請求項１乃至７のいずれかに記載の自動制御装置。
9. 前記コントローラにシリアルポートによって結合され、前記コントローラが順次又は同時に駆動する複数のモータデバイスをさらに備える、請求項１乃至８のいずれかに記載の自動制御装置。
10. コントローラと、出力軸を備えるモータデバイスとを備えた自動制御装置に適応された自動制御方法であって、
    前記モータデバイスの前記出力軸が自由回転状態にある非固定モード又は前記出力軸が非自由回転状態にある固定モードで前記モータデバイスが操作されるように、前記コントローラが前記モータデバイスを駆動すること、
    前記モータデバイスが前記固定モードで操作されるとき、前記出力軸の回転角度を目標角度に維持すること、及び、
    前記コントローラが前記出力軸の前記回転角度が変化していると判定し、前記コントローラが現在角度と前記目標角度の差が閾値角度を超えていると判定した場合、前記出力軸がリセットされた目標角度に維持されるように、前記コントローラが前記現在角度を使用して前記目標角度をリセットすることを含むことを特徴とする自動制御方法。
11. 前記コントローラが前記現在角度と前記目標角度の差が前記閾値角度を超えていないと判定した場合、前記コントローラが前記出力軸を前記目標角度に戻るように駆動することをさらに含む、請求項１０に記載の自動制御方法。
12. 前記モータデバイスの前記出力軸の回転範囲は０度から３００度の範囲にある、請求項１０又は１１に記載の自動制御方法。
13. 前記モータデバイスは１０２４ステップを有し、前記閾値角度は前記出力軸が４ステップだけ回転するときの角度変化量である、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の自動制御方法。
14. 前記モータデバイスが前記固定モードで操作されるとき、前記コントローラは、前記出力軸の前記回転角度がある時間長さの間隔で変化しているかどうかを再判定する、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の自動制御方法。
15. 前記自動制御装置は、複数のモータデバイスをさらに備え、前記複数のモータデバイスは、前記コントローラが前記複数のモータデバイスを順次又は同時に駆動するようにシリアルポートによって前記コントローラに結合される、請求項１０乃至１４のいずれかに記載の自動制御方法。

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