JP2021133486A - 制御装置、駆動装置及びロボット - Google Patents

Abstract

【課題】制御対象が発生する力と外力とが釣り合って制御対象の位置と制御対象の目標位置とのずれ量の絶対値が大きくなっている状態を解消に近づけることができる制御装置を提供する。【解決手段】制御装置は、検知部、保管部、決定部、出力部及び変更部を備える。検知部は、制御対象の位置と制御対象の目標位置とのずれ量を検知して検知されたずれ量を出力する。保管部は、ずれ量に対応付けられた操作量を定義する対応付けを保管する。決定部は、対応付けにおいて、検知されたずれ量に対応付けられた操作量を決定し決定された操作量を出力する。出力部は、決定された操作量を有する制御信号を制御対象に出力して決定された操作量に応じた力を制御対象に発生させる。変更部は、検知されたずれ量の絶対値が設定された値以上である状態が設定された時間以上継続した場合に対応付けを変更する。【選択図】図２

Description

本発明は、制御装置、駆動装置及びロボットに関する。

コンプライアンス制御は、ロボットアーム等のマニピュレータの制御に好適に採用される。コンプライアンスは、ばねのたわみやすさを意味する。このため、コンプライアンス制御は、マニピュレータにばねのようなしなやかさを持たせ、マニピュレータを備えるロボットを複雑な作業に対応させ、マニピュレータに加えられる力によりマニピュレータに接触する物体が破損することを抑制する。コンプライアンス制御が採用されていないロボットにおいては、マニピュレータの角度、長さ等の位置が専ら制御される。これに対して、コンプライアンス制御が採用されたロボットにおいては、マニピュレータに加えられる力が、人間、動物等の筋肉により加えられる力と同様に、強弱自在に制御される。これにより、マニピュレータを備えるロボットに高度な作業を自律的に行わせることができる。

特開平６−２４６６７３号公報は、コンプライアンス制御は、手先の位置と手先にかかる力を用いてロボットに柔らかい動きをさせる制御手法であることを開示する（段落０００２）。また、特開平６−２４６６７３号公報は、手先に加わる外力を力センサによって測定し、特性方程式を満足するようにロボットを制御することを開示する（段落０００２−０００４）。また、特開平６−２４６６７３号公報は、現在位置と目標位置との距離と仮想バネによる力Ｆの関係は比例関係となることを開示する（段落０００６）。
特開平６−２４６６７３号公報

特開平６−２４６６７３号公報に開示されたコンプライアンス制御においては、手先にかかる力とロボットが発生する力とが釣り合って手先の位置が目標位置からずれた状態が継続する場合がある。

本発明は、この問題に鑑みてなされた。本発明は、制御対象が発生する力と外力とが釣り合って制御対象の位置と制御対象の目標位置とのずれ量の絶対値が大きくなっている状態を解消に近づけることができる制御装置を提供することを目的とする。

本発明の例示的なひとつの態様は、制御装置に関する。

制御装置は、検知部、保管部、決定部、出力部及び変更部を備える。

検知部は、制御対象の位置と制御対象の目標位置とのずれ量を検知して検知されたずれ量を出力する。

保管部は、ずれ量に対応付けられた操作量を定義する対応付けを保管する。

決定部は、対応付けにおいて、検知されたずれ量に対応付けられた操作量を決定して決定された操作量を出力する。

出力部は、決定された操作量を有する制御信号を制御対象に出力して決定された操作量に応じた力を制御対象に発生させる。

変更部は、検知されたずれ量の絶対値が設定された値以上である状態が設定された時間以上継続した場合に対応付けを変更する。

本発明の例示的なひとつの態様は、上述した制御装置を備える駆動装置、及び当該駆動装置を備えるロボットにも関する。

本発明の例示的なひとつの態様によれば、制御対象が発生する力と外力とが釣り合って制御対象の位置と制御対象の目標位置とのずれ量の絶対値が大きい状態が継続した場合に、制御対象が発生する力が変更される。これにより、当該状態を解消に近づけることができる。

本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置の外観を模式的に図示する斜視図である。 本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置の内部構成を図示するブロック図である。 本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置に保管される対応付けの例を示すグラフである。 本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置に保管される対応付けの例を示すグラフである。 本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置に保管される対応付けの例を示すグラフである。 本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置における制御対象の位置、制御対象の目標位置、ずれ量deg、閾値th及びマージンとなる範囲の関係を図示する図である。 本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置における制御の例を説明するグラフである。 本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置に保管される対応付けの例を示すグラフである。 本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置が組み込まれたロボットを模式的に図示する図である。 参考例の駆動装置に保管される対応付けの例を示すグラフである。

１ 駆動装置の外観
図１は、本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置の外観を模式的に図示する斜視図である。

第１実施形態においては、図１に図示される駆動装置１は、サーボ機構である。駆動装置１が、サーボ機構以外の駆動装置であってもよい。

駆動装置１は、図１に図示されるように、筐体１１及び回転軸１２を備える。駆動装置１は、筐体１１に対して回転軸１２を回転させて、回転軸１２を中心として回転軸１２に接続された要素を回転させる。駆動装置１は、与えられた指令に従って回転軸１２を回転させる。

２ 駆動装置の内部構成
図２は、本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置の内部構成を図示するブロック図である。

駆動装置１は、図２に示されるように、制御装置２１及び制御対象２２を備える。

第１実施形態においては、制御対象２２は、サーボモータである。制御対象２２が、サーボモータ以外の制御対象であってもよい。

また、駆動装置１は、図２に示されるように、位置検出器２３を備える。第１実施形態においては、位置検出器２３は、エンコーダである。位置検出器２３が、エンコーダ以外の位置検出器であってもよい。

位置検出器２３は、制御対象２２の位置３１を検出する。制御装置２１には、制御対象２２の目標位置３２が与えられる。制御装置２１は、制御対象２２の位置３１及び制御対象２２の目標位置３２に基づいて制御対象２２に制御信号３３を出力する。制御対象２２は、制御信号３３に応じた力３４を発生する。制御装置２１は、制御対象２２に制御信号３３を出力することにより、制御対象２２の位置３１を制御対象２２の目標位置３２に近づける制御を行う。また、制御装置２１は、その際に、制御対象２２のコンプライアンス制御を行う。

第１実施形態においては、サーボモータは、ロータリーサーボモータである。また、エンコーダは、ロータリーエンコーダである。このため、制御対象２２の位置３１及び制御対象２２の目標位置３２は、角度である。また、力３４は、トルクである。力３４は、回転軸１２を回転させる力となる。

３ 制御装置の内部構成
制御装置２１は、図２に示されるように、検知部４１、保管部４２、決定部４３、出力部４４及び変更部４５を備える。

検知部４１、保管部４２、決定部４３、出力部４４及び変更部４５は、マイクロコントローラにファームウェアを実行させることにより構成される。検知部４１、保管部４２、決定部４３、出力部４４及び変更部４５の全部又は一部がファームウェアを実行しないハードウェアにより構成されてもよい。

検知部４１は、位置検出器２３により検出された制御対象２２の位置３１及び与えられた制御対象２２の目標位置３２を取得する。また、検知部４１は、制御対象２２の位置３１と制御対象２２の目標位置３２とのずれ量を検知して検知されたずれ量５１を出力する。第１実施形態においては、検知されるずれ量５１は、角度である。

保管部４２は、ずれ量に対応付けられた操作量を定義する対応付け５２を保管する。第１実施形態においては、ずれ量に対応付けられた操作量は、デューティー比である。対応付け５２は、数値テーブル、演算式等により与えられる。ずれ量に対応付けられた操作量が、印加電圧であってもよい。印加電圧は、電源電圧とデューティー比との積であるため、電源電圧が一定である場合は、印加電圧による操作はデューティー比による操作と同等であるためである。

決定部４３は、対応付け５２を参照する。また、決定部４３は、対応付け５２において、検知されたずれ量５１に対応付けられた操作量を決定して決定された操作量５３を出力する。

出力部４４は、決定された操作量５３を有する制御信号３３を制御対象２２に出力して決定された操作量５３に応じた力３４を制御対象２２に発生させる。力３４は、ずれ量５１の絶対値を小さくする方向に制御対象２２の位置３１を変化させる力である。出力部４４は、制御信号３３を制御対象２２に出力することにより、制御対象２２のコンプライアンス制御を行う。

変更部４５は、検知されたずれ量５１の絶対値が設定された値以上である状態が設定された時間以上継続した場合に対応付け５２を変更する。対応付け５２を変更することは、力３４の絶対値を大きくする変更を対応付け５２に対して行うことを含む。

制御装置２１によれば、制御対象２２が発生する力３４と外力とが釣り合って制御対象２２の位置３１と制御対象２２の目標位置３２とのずれ量５１の絶対値が大きくなっている状態が継続した場合に、制御対象２２が発生する力３４が変更される。これにより、当該状態を解消に近づけることができる。

４ 対応付けの変更の例
図３、図４及び図５は、本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置に保管される対応付けの例を示すグラフである。図３、図４及び図５のグラフにおいては、ずれ量degが横軸にとられている。また、図３、図４及び図５のグラフにおいては、操作量dutyが縦軸にとられている。また、図３、図４及び図５のグラフにおいては、変更前の対応付けf0(k)が実線で示されている。また、図３、図４及び図５のグラフにおいては、変更後の対応付けf1(k)が一点破線で示されている。図６は、本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置における制御対象の位置、制御対象の目標位置、ずれ量deg、閾値th及びマージンとなるずれ量の範囲の関係を図示する図である。

図３、図４及び図５のグラフに示される対応付け５２においては、操作量dutyの絶対値は、ずれ量degの絶対値が閾値th以上となるずれ量degの範囲６１内において、ずれ量degの絶対値が大きくなるほど大きくなる。また、操作量dutyの絶対値は、ずれ量degの絶対値が閾値th未満となるずれ量degの範囲６２内において、ずれ量degの絶対値が閾値th以上となるずれ量degの範囲６１内における最小値以下となり、望ましくは0となる。制御対象２２が発生する力３４は、操作量dutyに比例する。このため、制御対象２２が発生する力３４の絶対値は、ずれ量degの絶対値が閾値th以上となるずれ量degの範囲６１内において、ずれ量degの絶対値が大きくなるほど大きくなる。これにより、制御対象２２のコンプライアンス制御を行うことができ、制御対象２２が発生する力により駆動される要素にばねのようなしなやかさを持たせることができる。また、制御対象２２が発生する力の絶対値は、ずれ量degの絶対値が閾値th未満となるずれ量degの範囲６２内において、ずれ量degの絶対値が閾値th以上となるずれ量degの範囲６１内における最小値以下となり、望ましくは0となる。ずれ量degの範囲６２は、制御対象２２が力３４をほとんど又は全く発生しないマージンとなる。マージンは、制御対象２２の位置３１が制御対象２２の目標位置３２を挟んで繰り返し前後するハンチングを抑制する。

力３４の絶対値を大きくする変更は、図３に示されるように、ずれ量degの絶対値の増加量に対する、操作量dutyの絶対値の増加量の比（傾き）kを大きくすることを含む。したがって、力３４の絶対値を大きくする変更は、ずれ量degの絶対値の増加量に対する、力３４の絶対値の増加量の比を大きくすることを含む。第１実施形態においては、比を大きくすることは、ずれ量degの範囲６１内において行われる。

また、力３４の絶対値を大きくする変更は、図４に示されるように、操作量dutyの絶対値を一定の値大きくすることを含む。したがって、力３４の絶対値を大きくする変更は、力３４の絶対値を一定の値大きくすることを含む。第１実施形態においては、力３４の絶対値を一定の値大きくすることは、ずれ量degの範囲６１内において行われる。

また、力３４の絶対値を大きくする変更は、図５に示されるように、閾値thを小さくすることを含む。

図３、図４及び図５のグラフにより示される対応付けf0(k)及びf1(k)によれば、ずれ量degが、設定された値以上の絶対値を有するずれ量deg0である状態が設定された時間以上継続した場合に、操作量dutyが、対応付けf0(k)においてずれ量deg0に対応付けられた操作量duty0から、対応付けf1(k)においてずれ量deg0に対応付けられた操作量duty1に変更される。操作量duty1に応じて制御対象２２が発生する力３４の絶対値は、操作量duty0に応じて制御対象２２が発生する力３４の絶対値より大きい。このため、制御対象２２が発生する力３４と外力とが釣り合ってずれ量degの絶対値が大きくなっている状態が継続した場合に、制御対象２２が発生する力３４の絶対値が大きくなる。このため、ずれ量degを、ずれ量deg0からずれ量deg1に小さくすることができる。

また、図３、図４及び図５のグラフにより示される対応付けf0(k)及びf1(k)によれば、コンプライアンス制御の反発力を示すパラメータを対応付けf1(k)により様々に設定することができる。このため、制御対象２２の位置３１の制御対象２２の目標位置３２への戻り方を様々に設定することができる。例えば、制御対象２２の位置３１の制御対象２２の目標位置３２への戻り速度を遅くすることができる。

上述したように、変更部４５は、検知されたずれ量degの絶対値が設定された値以上である状態が設定された時間以上継続した場合に対応付け５２を変更する。設定される値は、閾値thより大きい。

図１０は、参考例の駆動装置に保管される対応付けの例を示すグラフである。図１０のグラフにおいては、ずれ量degが横軸にとられている。また、図１０のグラフにおいては、操作量dutyが縦軸にとられている。また、図１０のグラフにおいては、変更されない対応付けf0(k)が実線で示されている。

図１０のグラフにより示される変更されない対応付けf0(k)によれば、ずれ量degが設定された値以上の絶対値を有するずれ量deg0である状態が設定された時間以上継続した場合でも、操作量dutyが、対応付けf0(k)においてずれ量deg0に対応付けられた操作量duty0に維持される。このため、制御対象２２が発生する力３４と外力とが釣り合ってずれ量degの絶対値が大きくなっている状態が継続した場合に、制御対象２２が発生する力３４の絶対値が維持される。このため、ずれ量degを、ずれ量deg0から小さくすることができない。

変更前の対応付けf0(k)から変更後への対応付けf1(k)への変更は、中間の対応付けを経由せずに直接的に行われてもよいし、中間の対応付けを経由して徐々に行われてもよい。

変更後への対応付けf1(k)から変更前の対応付けf0(k)への復帰は、新たな制御対象２２の目標位置３２が制御装置２１に与えられた際に行われてもよいし、変更前の対応付けf0(k)から変更後への対応付けf1(k)への変更から所定の時間が経過した時点で行われてもよい。

対応付け５２の変更が複数回行われてもよい。例えば、対応付けf0(k)及びf1(k)に加えて対応付けf2(k)がさらに保管部４２に保管され、対応付けf0(k)から対応付けf1(k)への変更が行われてから所定の時間が経過した後に対応付けf1(k)から対応付けf2(k)への変更がさらに行われてもよい。

５ 制御の例
図７は、本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置における制御の例を説明するグラフである。図７（ａ）は、制御対象の位置dの時間変化を示す。図７（ｂ）は、操作量dutyの時間変化を示す。図７（ｃ）は、ずれ量degの絶対値の増加量に対する、操作量dutyの絶対値の増加量の比kの時間変化を示す。図８は、本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置に保管される対応付けの例を示すグラフである。図７のグラフにより説明される制御は、図８のグラフにより示される対応付けが保管されている場合の制御である。図８のグラフにより示される対応付けにおいては、説明の便宜上、上述したマージンが0とされている。

時刻t0より前においては、制御対象２２に外力がかかっていない。このため、位置検出器２３により検出される制御対象２２の位置dは、図７（ａ）に示されるように、制御対象２２の目標位置d(0)である。このため、検知部４１により検知されるずれ量degは、0である。このため、決定部４３により決定される操作量dutyは、図７（ｂ）に示されるように、0である。このため、力３４は、0である。また、比kは、変更前の比である。

時刻t0においては、制御対象２２に、制御対象２２の位置dを正方向に変化させる外力がかかりはじめる。

時刻t0より後であって時刻t1より前においては、制御対象２２に、制御対象２２の位置dを正方向に変化させる外力がかかっている。このため、位置検出器２３により検出される制御対象２２の位置dは、正方向に変化する。このため、検知部４１により検知されるずれ量degは、正方向に変化する。このため、決定部４３により決定される操作量dutyは、ずれ量degに比例する値k*{d(t)-d(0)}に変化する。ここで、d(t)は、時刻tにおける制御対象２２の位置dを示す。ただし、時刻t0より後であって時刻t1より前においては、ずれ量degが設定された値s未満であるため、比kは、変更前の比のままである。

時刻t1においては、検知部４１により検知されるずれ量degが設定された値sに達する。このため、変更部４５が、時間の計測を開始する。

時刻t1より後であって時刻t2より前においては、制御対象２２に、制御対象２２の位置dを正方向に変化させる外力が依然としてかかっている。このため、位置検出器２３により検出される制御対象２２の位置dは、正方向に変化する。このため、検知部４１により検知されるずれ量degは、正方向に変化する。もっとも、時刻t1より後であって時刻t2より前においては、力３４が外力に次第に近づいて最終的に外力に一致するため、位置検出器２３により検出される制御対象２２の位置dの変化が次第に小さくなって最終的になくなる。このため、検知部４１により検知されるずれ量degの変化が次第に小さくなって最終的になくなる。また、時刻t1より後であって時刻t2より前においては、変更部４５により計測された時間が設定された時間T未満であるため、比kは、変更前の比のままである。

時刻t2においては、変更部４５により計測された時間が設定された時間Tに達する。このため、変更部４５は、比kを変更前の比から変更後の比に変更する。

時刻t2より後においては、制御対象２２に、制御対象２２の位置dを正方向に変化させる外力が依然としてかかっている。しかし、比kが変更前の比から変更後の比に変更されているため、決定部４３により決定される操作量dutyが大きくなっている。このため、力３４が大きくなっている。このため、位置検出器２３により検出される制御対象２２の位置dは、負方向に変化する。このため、検知部４１により検知されるずれ量degは、負方向に変化する。これにより、検知部４１により検知されるずれ量degの絶対値を小さくすることができる。

６ 駆動装置のロボットへの組み込み
図９は、本発明の例示的な第１実施形態の駆動装置が組み込まれたロボットを模式的に図示する図である。

図９に図示されるロボット２は、駆動装置１及び関節３を備える。

駆動装置１は、関節３を駆動する。コンプライアンス制御が行われる駆動装置１により関節３が駆動されることにより、ロボット２は、ばねのようなしなやかさを持った動きをすることができる。

１ 駆動装置
２１ 制御装置
２２ 制御対象
２３ 位置検出器
４１ 検知部
４２ 保管部
４３ 決定部
４４ 出力部
４５ 変更部

Claims (14)

1. 制御対象の位置と前記制御対象の目標位置とのずれ量を検知して検知されたずれ量を出力する検知部と、
   前記ずれ量に対応付けられた操作量を定義する対応付けを保管する保管部と、
   前記対応付けにおいて前記検知されたずれ量に対応付けられた操作量を決定し決定された操作量を出力する決定部と、
   前記決定された操作量を有する制御信号を前記制御対象に出力して前記決定された操作量に応じた力を前記制御対象に発生させる出力部と、
   前記検知されたずれ量の絶対値が設定された値以上である状態が設定された時間以上継続した場合に前記対応付けを変更する変更部と、
   を備える制御装置。
2. 前記対応付けを変更することは、前記力の絶対値を大きくする変更を前記対応付けに対して行うことを含む
   請求項１の制御装置。
3. 前記変更は、前記ずれ量の絶対値の増加量に対する、前記力の絶対値の増加量の比を大きくすることを含む
   請求項２の制御装置。
4. 前記変更は、前記力の絶対値を一定の値大きくすることを含む
   請求項２又は３の制御装置。
5. 前記力の絶対値は、前記ずれ量の絶対値が閾値以上となる前記ずれ量の範囲内において、前記ずれ量の絶対値が大きくなるほど大きくなり、
   前記変更は、前記閾値を小さくすることを含む
   請求項２から４までのいずれかの制御装置。
6. 前記力は、前記ずれ量の絶対値を小さくする方向に前記制御対象の位置を変化させる力である
   請求項１から５までのいずれかの制御装置。
7. 前記力の絶対値は、前記ずれ量の絶対値が大きくなるほど大きくなる
   請求項６の制御装置。
8. 前記力の絶対値は、前記ずれ量の絶対値が閾値以上となる前記ずれ量の範囲内において、前記ずれ量の絶対値が大きくなるほど大きくなり、前記ずれ量の絶対値が前記閾値未満となる前記ずれ量の範囲内において、前記ずれ量の絶対値が前記閾値以上となる前記ずれ量の範囲内における最小値以下である
   請求項７の制御装置。
9. 前記力の絶対値は、前記ずれ量の絶対値が前記閾値未満となる前記ずれ量の範囲内において、０である
   請求項８の制御装置。
10. 前記設定された値は、前記閾値より大きい
    請求項８又は９の制御装置。
11. 前記出力部は、前記制御信号を前記制御対象に出力することにより前記制御対象のコンプライアンス制御を行う
    請求項１から１０までのいずれかの制御装置。
12. 前記制御対象は、サーボモータであり、
    前記操作量は、デューティー比であり、
    前記力は、トルクである
    請求項１から１１までのいずれかの制御装置。
13. 請求項１から１２までのいずれかの制御装置と、
    前記制御対象と、
    を備える駆動装置。
14. 請求項１３の駆動装置と
    前記駆動装置により駆動される関節と、
    を備えるロボット。

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