JP2021033436A - 制御回路、制御方法および制御プログラム - Google Patents
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Abstract
【課題】目標値の入力間隔にかかわらず、制御回路の時間分解能に応じてモータの動作を平滑化する。【解決手段】モータの動作量の目標値を第１の間隔で受信する受信部と、目標値を、第１の間隔よりも短い第２の間隔で補間する補間処理部と、補間された目標値を第２の間隔でモータのサーボ制御部に出力する出力部とを備える制御回路が提供される。【選択図】図２
Description
本発明は、制御回路、制御方法および制御プログラムに関する。
例えばロボットにおいて、関節部を回転駆動させるモータを制御装置から入力される目標値に従って制御することが行われている。そのような技術の一例が、特許文献１に記載されている。
しかしながら、上記のような場合において、制御装置からの目標値の入力間隔は、例えば制御装置とモータの制御回路との間の通信間隔によって制約される。このため、モータの制御回路の時間分解能が高く滑らかな動作が可能である場合にも、目標値の更新間隔が長いためにステップ駆動による動作ノイズが発生しやすい。
そこで、本発明は、目標値の入力間隔にかかわらず、制御回路の時間分解能に応じてモータの動作を平滑化することが可能な制御回路、制御方法および制御プログラムを提供することを目的とする。
本発明のある観点によれば、モータの動作量の目標値を第１の間隔で受信する受信部と、目標値を、第１の間隔よりも短い第２の間隔で補間する補間処理部と、補間された目標値を第２の間隔でモータのサーボ制御部に出力する出力部とを備える制御回路が提供される。
本発明の別の観点によれば、モータの動作量の目標値を第１の間隔で受信するステップと、目標値を、第１の間隔よりも短い第２の間隔で補間するステップと、補間された目標値を第２の間隔でモータのサーボ制御部に出力するステップとを含む制御方法が提供される。
本発明のさらに別の観点によれば、モータの動作量の目標値が第１の間隔で受信する機能と、目標値を、第１の間隔よりも短い第２の間隔で補間する機能と、補間された目標値を第２の間隔でモータのサーボ制御部に出力する機能とをプロセッサに実現させるためのプログラムが提供される。
上記の構成によれば、目標値の入力間隔にかかわらず、制御回路の時間分解能に応じてモータの動作を平滑化することができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、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。
図１は、本発明の一実施形態に係るロボットのハードウェア構成例を示す図である。図１に示されるように、ロボット１０は、本体部１０２に搭載される制御装置１１０を有する。制御装置１１０は、演算処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）１１１、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１２、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１３、および外部メモリ１１４などを含む。制御装置１１０は、カメラ１２１が取得した画像データ、マイクロフォン１２２が取得した音声データ、または通信インターフェース１２４が受信したコマンド信号などに応じてロボット１０の動作を決定する。カメラ１２１、マイクロフォン１２２、および通信インターフェース１２４は、バスインターフェース１１５を介して制御装置１１０に接続される。
制御装置１１０は、決定された動作が実行されるように、ロボット１０の各部を制御する。具体的には、制御装置１１０は、決定された動作が実行されるように、腕部１０３Ｌ，１０３Ｒ、手部１０４Ｌ，１０４Ｒ、および脚部１０５Ｌ，１０５Ｒの関節部を回転駆動するモータ１３０を制御する。図示されていないが、頭部１０１、本体部１０２、および足部にもモータ１３０によって駆動される関節部が設けられてもよい。このとき、制御装置１１０は、距離計測センサ（図示せず）、慣性計測装置（ＩＭＵ：Inertial Measurement Unit）１２５、接地確認センサ１２６、荷重センサ（図示せず）、電源制御装置１２７の検出値を必要に応じて参照する。モータ１３０、距離計測センサ、ＩＭＵ１２５、接地確認センサ１２６、荷重センサ、および電源制御装置１２７は、バスインターフェース１１５を介して制御装置１１０に接続される。
例えば、制御装置１１０のＣＰＵ１１１は、ＲＯＭ１１３または外部メモリ１１４に格納された制御パターンから決定された動作に対応するパターンを選択し、選択されたパターンに従って足部運動、ＺＭＰ（Zero Moment Point）軌道、体幹運動、上肢運動、腰部水平位置および高さなどを設定し、これらの設定値に従ってモータ１３０を制御する。このとき、ＣＰＵ１１１は、上記のようなセンサなどの検出値に応じて、モータ１３０を適応的に制御してもよい。
図２は、図１に示されたモータの制御回路の構成を示すブロック図である。図２に示されるように、モータ１３０を駆動するための制御回路１４０は、制御装置１１０からモータ１３０の回転角度の目標値を第１の間隔で受信する受信部１４１と、目標値を第１の間隔よりも短い第２の間隔で補間する補間処理部１４２と、補完された目標値を第２の間隔でサーボ制御部１４４に出力する出力部１４３と、サーボ制御部１４４とを含む。サーボ制御部１４４は、ドライバ１５１に制御信号を出力することによってモータ１３０を駆動するとともに、モータ１３０の回転に伴ってエンコーダ１５２から出力されるパルス信号に基づいてモータ１３０の回転角度を検出し、回転角度が目標値に到達するようにドライバ１５１に入力する制御信号を調節する。制御回路１４０は、例えばプログラムが格納されたメモリとプログラムに従って動作するプロセッサとを含むマイクロコントローラとして実装される。この場合、受信部１４１、補間処理部１４２、出力部１４３、およびサーボ制御部１４４はプロセッサによるソフトウェア的な機能部分である。
図３Ａおよび図３Ｂは、本発明の一実施形態における目標値の補間について説明するための図である。図３Ａは、図２に示した制御回路１４０において目標値の補間が実施されない場合にサーボ制御部１４４に入力される目標値と目標値に応じたモータ１３０の回転角度とを時系列で示すグラフである。図３Ｂは、制御回路１４０において補間処理部１４２が目標値の補間を実施する場合にサーボ制御部１４４に入力される目標値と目標値に応じたモータ１３０の回転角度とを時系列で示すグラフである。図３Ａおよび図３Ｂに示された例において、制御回路１４０の受信部１４１が制御装置１１０から目標値を受信する第１の間隔は４ｍｓｅｃである。これに対して、サーボ制御部１４４がドライバ１５１に出力する制御信号を更新できる間隔はより短く、１ｍｓｅｃ以下である。
図３Ａに示す目標値の補間が実施されない例の場合、サーボ制御部１４４に入力される目標値Ｖ１は、受信部１４１が制御装置１１０から目標値を受信する間隔と同じ４ｍｓｅｃ間隔で更新される。サーボ制御部１４４は入力された目標値Ｖ１に対して現在値が可能な限り速やかに追従するように制御信号を生成するため、上記の場合においてモータ１３０の回転角度の変化はサーボ制御部１４４に目標値が入力された直後において急峻になる。その一方で、回転角度が目標値に到達するとサーボ制御部１４４は回転角度を維持するように制御信号を生成するため、モータ１３０の回転角度は変化しなくなる。この結果、モータ１３０の回転角度は、目標値の受信の度に急峻な変化と停滞とを繰り返すステップ状に推移し、モータ１３０およびモータ１３０に連結された駆動力伝達機構とが移動と停止とを繰り返す結果として動作ノイズが発生しやすい。
一方、図３Ｂに示す本実施形態の例の場合、制御回路１４０において、補間処理部１４２が目標値を第１の間隔よりも短い第２の間隔、具体的には目標値Ｖ１が受信される間隔４ｍｓｅｃよりも短い間隔１ｍｓｅｃで線形補間する。つまり、図示された例において、補間処理部１４２は、モータ１３０の回転角度の現在値を参照し、回転角度が目標値と現在値との差分の１／４倍ずつ漸増するように目標値を補間する。この場合、サーボ制御部１４４に入力される目標値Ｖ２（補間された目標値）は、１ｍｓｅｃ間隔で更新される。サーボ制御部１４４が入力された目標値に対して現在値が可能な限り速やかに追従するように制御信号を生成するのは図３Ａの例と同様であるが、図３Ｂの例では目標値Ｖ２が１ｍｓｅｃ間隔に補間されている分、各回においてサーボ制御部１４４に入力される目標値Ｖ２と現在値との差分が小さい（図３Ａの例の約１／４になる）。従って、図３Ｂの例では、サーボ制御部１４４に対する目標値入力後のモータ１３０の回転角度の変化の急峻さを抑えることができる。
また、図３Ｂの例では、目標値の更新間隔が短くなった分、回転角度が目標値Ｖ２に接近または到達してから次の目標値Ｖ２が入力されるまでの間にモータ１３０の回転角度が停滞する時間が短くなる。これによって、前後の目標値の値によっては、モータ１３０および駆動力伝達機構が完全に停止する前に次の目標値に追従するための動作が開始されるため、動作ノイズを低減することができる。このように、本実施形態では、補間によってサーボ制御部１４４に入力される目標値の時間分解能を上げることによって、モータ１３０の動作を平滑化している。
例えば図１に示したようなロボット１０の場合、制御装置１１０が多数の関節に設けられた関節部のモータ１３０の制御回路と通信するため、制御装置１１０が制御回路１４０に目標値を送信する間隔を短縮することは容易ではないため、上記のようにモータ１３０側での補間処理によってモータ１３０の動作を平滑化する構成が有効でありうる。
なお、上記の例において、補間された目標値の間隔（第２の間隔）が受信される目標値の間隔（第１の間隔）の１／４倍であるが、任意のｎ（ｎ≧２）について、第２の間隔を第１の間隔の１／ｎ倍としてもよい。第１の間隔の１／ｎ倍がサーボ制御部１４４がドライバ１５１に出力する制御信号を更新できる間隔を下回らない限り、上記のｎが大きいほどモータ１３０の動作を平滑化することができる。
また、上記の例では、補間処理部１４２がモータ１３０の回転角度の目標値と現在値との差分を参照して目標値を線形補間したが、補間処理部１４２はさらに前回目標値が受信された時のモータ１３０の回転角度を参照して、目標値を非線形補間してもよい。この場合、例えば、補間処理部１４２は、前回目標値が入力されてから次回目標値が入力されるまでの間（図３Ｂの例の場合、例えば時刻ｔ１＋４ｍｓから時刻ｔ１＋１２ｍｓまでの間）で、補間された目標値の勾配変化量が最小化されるように目標値を補間する。
図４は、本発明の一実施形態に係る制御方法の例を示すフローチャートである。図示された例では、まず、制御回路１４０の受信部１４１が制御装置１１０から目標値を受信する（ステップＳ１０１）。次に、補間処理部１４２が目標値を補間する（ステップＳ１０２）。このとき、補間処理部１４２は、例えばモータ１３０の回転角度の現在値を参照し、回転角度が目標値と現在値との差分の１／ｎ倍（ｎ≧２）ずつ漸増するように目標値を補間する。次に、出力部１４３が補間された目標値をサーボ制御部１４４に出力する。出力部１４３は、受信部１４１が目標値を受信する間隔の１／ｎ倍の間隔で補間された目標値をサーボ制御部１４４に出力する（ステップＳ１０３）。ｎ番目の補間された目標値を出力すると、処理はステップＳ１０１に戻る（ステップＳ１０４）。以上のような処理が、受信部１４１が目標値を受信する間隔ごとに繰り返される（ステップＳ１０５）。
上記の実施形態では、回転駆動するモータ１３０に対して回転角度の目標値が設定されたが、他の実施形態では、モータは必ずしも回転駆動せず、例えば直線駆動してもよい。この場合、モータの移動量などの動作量について目標値が設定される。また、モータが回転駆動する場合であっても、回転角度以外の動作量について目標値が設定されてもよい。また、上記の実施形態では受信部１４１、補間処理部１４２、出力部１４３およびサーボ制御部１４４が単一の制御回路１４０の中で実装される例について説明したが、例えばサーボ制御部１４４が他の部分とは物理的に異なる回路または装置内で実装されてもよい。また、本発明の実施形態は、上記の例のようなロボットに限らず、モータの制御回路が通信によって外部の制御装置から目標値を受信する各種の装置または機器に適用可能である。
以上、添付図面を参照しながら本発明のいくつかの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、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。
１０…ロボット、１１０…制御装置、１３０…モータ、１４０…制御回路、１４１…受信部、１４２…補間処理部、１４３…出力部、１４４…サーボ制御部、１５１…ドライバ、１５２…エンコーダ。
Claims (5)
- モータの動作量の目標値を第１の間隔で受信する受信部と、
前記目標値を、前記第１の間隔よりも短い第２の間隔で補間する補間処理部と、
前記補間された目標値を前記第２の間隔で前記モータのサーボ制御部に出力する出力部と
を備える制御回路。 - 前記第２の間隔は、前記第１の間隔の１／ｎ倍（ｎ≧２）であり、
前記補間された目標値は、前記目標値と現在値との差分の１／ｎ倍ずつ漸増する、請求項１に記載の制御回路。 - 前記補間処理部は、前回目標値が入力されてから次回目標値が入力されるまでの間で、前記補間された目標値の勾配変化量が最小化されるように前記目標値を補間する、請求項１に記載の制御回路。
- モータの動作量の目標値を第１の間隔で受信するステップと、
前記目標値を、前記第１の間隔よりも短い第２の間隔で補間するステップと、
前記補間された目標値を前記第２の間隔で前記モータのサーボ制御部に出力するステップと
を含む制御方法。 - モータの動作量の目標値が第１の間隔で受信する機能と、
前記目標値を、前記第１の間隔よりも短い第２の間隔で補間する機能と、
前記補間された目標値を前記第２の間隔で前記モータのサーボ制御部に出力する機能と
をプロセッサに実現させるためのプログラム。
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- 2019-08-20 JP JP2019150080A patent/JP2021033436A/ja active Pending
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2020
- 2020-08-13 WO PCT/JP2020/030817 patent/WO2021033625A1/ja active Application Filing
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