JP2023144767A - 直列弾性アクチュエータ、その制御装置、及び多関節ロボットアーム - Google Patents

Abstract

【課題】出力軸のトルクの測定値に生じる信号遅延やむだ時間を抑制して、直列弾性アクチュエータを制御することが可能な制御装置を提供する。【解決手段】駆動軸のトルクを、弾性部材を介して出力軸に伝達し、前記出力軸を回転させる直列弾性アクチュエータが制御装置によって制御される。制御装置は、出力軸に印加されるトルクをトルクセンサで測定した第１測定値、駆動軸の回転角の測定値と出力軸の回転角の測定値との差である第２測定値とに基づいて、第１測定値の誤差及び第２測定値の誤差の一方を推定する。さらに、第１測定値と、第１測定値の誤差の推定値とに基づいて第１測定値を補正するか、または、第２測定値と、第２測定値の誤差の推定値とに基づいて第２測定値を補正する。さらに、第１測定値の補正値または第２測定値の補正値に基づいて駆動軸を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、直列弾性アクチュエータ、その制御装置、及び関節に直列弾性アクチュエータを含む多関節ロボットアームに関する。

多関節ロボットアームを用いて対象物を保持し、被組付物に組み付ける技術が知られている。多関節ロボットアームの動作に柔軟性を与えるために、各関節に直列弾性アクチュエータが用いられる場合がある。直列弾性アクチュエータでは、駆動軸から出力軸に弾性部材を介してトルクが伝達される。剛性の低い直列弾性アクチュエータの位置精度を高め、かつ応答速度を高めるために、弾性部材に起因するねじれ振動を抑制することが必要になる。ねじれ振動を抑制するために、出力軸に印加されるトルクを駆動軸の回転駆動にフィードバックする手法が有効である。トルクセンサで出力軸のトルクを検出し、検出値を回転駆動機構のドライバにフィードバックする技術が下記の特許文献１に開示されている。

特開２０２２－２４６４５号公報

トルクセンサを用いて出力軸のトルクを検出する場合、トルクセンサの出力ノイズを除去するためにローパスフィルタが用いられる。トルクセンサの出力信号から、ローパスフィルタを用いてノイズを除去すると、ローパスフィルタに起因する信号遅延が生じる。また、実際のトルクの立ち上がりからトルクセンサの出力信号の立ち上がりまでにむだ時間を生じる場合もある。信号の遅延やむだ時間が生じると、回転駆動機構へのフィードバック制御の制御性が低下する。

本発明の目的は、出力軸のトルクの測定値に生じる信号遅延やむだ時間を抑制して、直列弾性アクチュエータを制御することが可能な制御装置を提供することである。本発明の他の目的は、この制御装置を備えた直列弾性アクチュエータを提供することである。本発明のさらに他の目的は、この直列弾性アクチュエータを備えた多関節ロボットアームを提供することである。

本発明の一観点によると、
駆動軸のトルクを、弾性部材を介して出力軸に伝達し、前記出力軸を回転させる直列弾性アクチュエータを制御する制御装置であって、
前記制御装置は、
前記出力軸に印加されるトルクをトルクセンサで測定した第１測定値、前記駆動軸の回転角の測定値と前記出力軸の回転角の測定値との差である第２測定値とに基づいて、前記第１測定値の誤差及び前記第２測定値の誤差の一方を推定し、
前記第１測定値と、前記第１測定値の誤差の推定値とに基づいて前記第１測定値を補正するか、または、前記第２測定値と、前記第２測定値の誤差の推定値とに基づいて前記第２測定値を補正し、
前記第１測定値の補正値または前記第２測定値の補正値に基づいて前記駆動軸を制御する直列弾性アクチュエータの制御装置が提供される。

本発明の他の観点によると、
トルクを発生する駆動軸を含む回転駆動装置と、
前記駆動軸から弾性部材を介してトルクが伝達される出力軸と、
前記駆動軸の回転角を検出する駆動軸エンコーダと、
前記出力軸の回転角を検出する出力軸エンコーダと、
前記出力軸に印加されるトルクを測定するトルクセンサと、
制御装置と
を備え、
前記制御装置は、
前記トルクセンサで測定した第１測定値、前記駆動軸エンコーダの測定値と前記出力軸エンコーダの測定値との差である第２測定値とに基づいて、前記第１測定値の誤差及び前記第２測定値の誤差の一方を推定し、
前記第１測定値と前記第１測定値の誤差の推定値とに基づいて前記第１測定値を補正するか、または、前記第２測定値と前記第２測定値の誤差の推定値とに基づいて前記第２測定値を補正し、
前記第１測定値の補正値または前記第２測定値の補正値に基づいて、前記回転駆動装置を制御する直列弾性アクチュエータが提供される。

本発明のさらに他の観点によると、
複数の関節を含む多関節ロボットアームであって、前記複数の関節のうち少なくとも１つの関節は、上記直列弾性アクチュエータを含む多関節ロボットアームが提供される。

第１測定値と、第１測定値の誤差の推定値とに基づいて第１測定値を補正するか、または、第２測定値と、第２測定値の誤差の推定値とに基づいて第２測定値を補正することにより、信号遅延やむだ時間を抑制し、ノイズを除去することができる。第１測定値または第２測定値の誤差の推定値を用いて第１測定値または第２測定値を補正し、補正値に基づいて、駆動軸を制御することにより、出力軸のトルクの測定値に生じる信号遅延やむだ時間を抑制して、直列弾性アクチュエータを制御することが可能になる。

図１は、本実施例による直列弾性アクチュエータの模式図である。 図２は、トルクの補正値τ_ｏｃを求めるブロック線図である。 図３は、カルマンフィルタの一例を示すブロック線図である。 図４は、トルクセンサ（図１）で測定された出力軸に印加されたトルクの測定値τ_ｏ、駆動軸の回転角の測定値θ_ｄと出力軸の回転角の測定値θ_ｏとの差から求まるトルクの換算値τ_θ、及び本実施例による方法で求めたトルクの補正値τ_ｏｃの時間変化を示すグラフである。 図５は、トルクセンサ（図１）で測定された出力軸に印加されたトルクの測定値τ_ｏ、駆動軸の回転角の測定値θ_ｄと出力軸の回転角の測定値θ_ｏとの差から求まるトルクの換算値τ_θ、及び本実施例による方法で求めたトルクの補正値τ_ｏｃの時間変化を示すグラフである。 図６は、トルクセンサ（図１）で測定された出力軸に印加されたトルクの測定値τ_ｏ、駆動軸の回転角の測定値θ_ｄと出力軸の回転角の測定値θ_ｏとの差から求まるトルクの換算値τ_θ、及び本実施例による方法で求めたトルクの補正値τ_ｏｃの時間変化を示すグラフである。 図７は、トルクセンサにより測定されたトルクの測定値τ_ｏ、及び比較例による方法で求めたトルクの補正値τ_ＬＰの時間変化を示すグラフである。 図８は、制御装置（図１）が行うフィードバック制御のブロック線図である。 図９は、他の実施例による直列弾性アクチュエータの制御装置が行う補正方法を示すブロック線図である。 図１０は、多関節ロボットアームの概略図である。

図１～図６を参照して、一実施例による直列弾性アクチュエータ及びその制御装置について説明する。

図１は、本実施例による直列弾性アクチュエータの模式図である。回転駆動装置１０が、モータ１１、減速機１２、駆動軸１３、及びドライバ１４を含む。ドライバ１４がモータ１１を駆動し、モータ１１が減速機１２を介して駆動軸１３にトルクを与える。駆動軸１３に伝達されたトルクが、弾性部材２１を介して出力軸２２に印加される。

トルクセンサ３０が出力軸２２に印加されるトルクを測定する。駆動軸エンコーダ３１が駆動軸１３の回転角を測定し、出力軸エンコーダ３２が出力軸２２の回転角を測定する。出力軸２２に印加されるトルクの測定値τ_ｏ、駆動軸１３の回転角の測定値θ_ｄ、及び出力軸２２の回転角の測定値θ_ｏが制御装置５０に入力される。さらに、出力軸２２の回転角の目標値θ_ｏｔが制御装置５０に入力される。制御装置５０は、トルクの測定値τ_ｏ、駆動軸１３の回転角の測定値θ_ｄ、及び出力軸２２の回転角の測定値θ_ｏに基づいて、出力軸２２の回転角が目標値θ_ｏｔに近づくようにドライバ１４に、駆動軸１３に発生させるべきトルクの指令値τ_ｄを与える。

ドライバ１４は、モータ１１を制御することにより、駆動軸１３にトルクの指令値τ_ｄに相当するトルクを発生させる。駆動軸１３に、指令値τ_ｄに相当するトルクが発生すると、出力軸２２が、回転角の目標値θ_ｏｔに近づくように回転する。

出力軸２２の回転角を高精度に制御するためには、出力軸に印加されているトルクを正確に求めることが望まれる。ところが、トルクセンサ３０で測定されたトルクの測定値τ_ｏには、高周波ノイズ等の誤差τ_ｅｒｒが含まれている。本実施例では、トルクの測定値τ_ｏに含まれる誤差を推定して誤差推定値τ_ｅｒｒを求め、測定値τ_ｏから誤差推定値τ_ｅｒｒを除去して、トルクの補正値τ_ｏｃを計算する。この補正値τ_ｏｃを用いて、モータ１１の制御を行う。

次に、図２を参照して、トルクの補正値τ_ｏｃを求める方法について説明する。図２は、トルクの補正値τ_ｏｃを求めるブロック線図である。

駆動軸１３の回転角の測定値θ_ｄと、出力軸２２の回転角の測定値θ_ｏとの差を求める。この差を、ねじれ角の測定値Δθということとする。ねじれ角の測定値Δθに、弾性部材２１のねじれ剛性に相当する換算係数Ｋ_ｓを乗じて、角度差をトルクに換算し換算値τ_θを求める。出力軸２２のトルクの測定値τ_ｏと、トルクの換算値τ_θとの差分に基づいて、トルク誤差推定器５５が、トルクの測定値τ_ｏに含まれている誤差を推定し、トルクの誤差推定値τ_ｅｒｒを求める。トルクの測定値τ_ｏからトルクの誤差推定値τ_ｅｒｒを減じることにより、トルクの補正値τ_ｏｃを求める。トルク誤差推定器５５には、例えば周知のカルマンフィルタを用いることができる。

次に、図３を参照してカルマンフィルタについて説明する。図３は、カルマンフィルタの一例を示すブロック線図である。図３において、Ｚ^－１Ｉは、１タイムステップ分遅延させる演算を意味する。時系列データの状態空間モデルを、以下の状態方程式及び観測方程式で定義する。

ここで、ｘは状態、ｙは観測量、ｖはシステム雑音ベクトル、ｗは観測雑音ベクトルである。ｋは離散化された時刻である。Ａ、Ｂ、Ｃは、状態空間モデルを特徴づける時変の行列である。システム雑音ベクトルｖは、平均値ベクトル０、共分散行列Ｑの多変数正規分布に従う。観測雑音ベクトルｗは、平均値ベクトル０、共分散行列Ｒの多変数正規分布に従う。

状態ｘの事前状態推定値ｘハット^－（ｋ）は、以下の式で与えられる。

事前誤差共分散行列Ｐ^－（ｋ）は、以下の式で与えられる。

カルマンゲインｇ（ｋ）は、以下の式で与えられる。

状態推定値ｘハット（ｋ）は、以下の式で与えられる。

事後誤差共分散行列Ｐ（ｋ）は、以下の式で与えられる。

ここで、Ｉは単位行列である。

カルマンフィルタに入力される観測量ｙ（ｋ）が、出力軸２２のトルクの測定値τ_ｏとねじれ角の測定値から求まるトルクの換算値τ_θとの差に相当し、状態推定値ｘハット（ｋ）が、トルクの誤差推定値τ_ｅｒｒに相当する。

次に、図４～図７を参照して、トルクの時間変化の一例について説明する。
図４～図６は、トルクセンサ３０（図１）で測定された出力軸２２のトルクの測定値τ_ｏ、駆動軸１３の回転角の測定値θ_ｄと出力軸２２の回転角の測定値θ_ｏとの差から求まるトルクの換算値τ_θ、及び本実施例による方法で求めたトルクの補正値τ_ｏｃの時間変化を示すグラフである。図５及び図６は、図４の横軸の一部分を切り取って拡大したグラフである。

トルクセンサ３０によるトルクの測定値τ_ｏには、高周波のノイズが重畳されている。また、図５に示すように、トルクセンサ３０によるトルクの測定値τ_ｏは、ねじれ角の測定値Δθから求めたトルクの換算値τ_θと比べて、立ち上がりが遅れている。この立ち上がりの遅れ時間を、むだ時間という。このように、トルクセンサ３０によるトルクの測定値τ_ｏには、むだ時間が発生する。

また、図６に示すように、ねじれ角の測定値Δθから求まるトルクの換算値τ_θは、定常状態においてトルクセンサ３０によるトルクの測定値τ_ｏに対してオフセットしている。これは、駆動軸エンコーダ３１と出力軸エンコーダ３２との原点にずれがあるためである。駆動軸エンコーダ３１と出力軸エンコーダ３２との原点を正確に合わせることは、一般的に困難である。このため、ねじれ角の測定値Δθから求まるトルクの換算値τ_θのオフセットを取り除くことは困難である。

本実施例による方法で求めたトルクの補正値τ_ｏｃには、高周波のノイズが含まれておらず、図６に示すようにオフセットも生じていない。また、図５に示すように、本実施例による方法で求めたトルクの補正値τ_ｏｃに発生しているむだ時間は、トルクセンサ３０の測定値τ_ｏに発生しているむだ時間より短い。

次に、図７を参照して比較例による方法で求めたトルクの補正値について説明する。図７は、トルクセンサ３０により測定されたトルクの測定値τ_ｏ、及び比較例による方法で求めたトルクの補正値τ_ＬＰの時間変化を示すグラフである。比較例においては、トルクセンサ３０により測定されたトルクの測定値τ_ｏに対してローパスフィルタを作用させることにより、補正値τ_ＬＰを求める。ローパスフィルタを作用させることにより、トルクの測定値τ_ｏに含まれていた高周波のノイズが取り除かれている。ただし、ローパスフィルタの特性により、信号に遅延が生じている。ローパスフィルタを作用させる方法では、図５に示したトルクの測定値τ_ｏに発生するむだ時間に、さらにローパスフィルタによる信号遅延時間が加わる。

次に、図８を参照して、制御装置５０（図１）が行うフィードバック制御について説明する。図８は、フィードバック制御のブロック線図である。

制御装置５０に、出力軸２２の回転角の目標値θ_ｏｔが入力される。Ｐ（ｓ）は、図１に示した直列弾性アクチュエータが持つ特性から求まる伝達関数である。直列弾性アクチュエータの駆動軸１３にトルクの指令値τ_ｄを印加することにより、状態量ｘが変化する。状態量ｘには、駆動軸１３の回転角、出力軸２２のトルク及び回転角が含まれる。図８において、「Ｃ」は、トルクセンサ３０ 駆動軸エンコーダ３１、及び出力軸エンコーダ３２に相当する。トルクセンサ３０からトルクの測定値τ_ｏが出力され、駆動軸エンコーダ３１から駆動軸１３の回転角の測定値θ_ｄが出力され、出力軸エンコーダ３２から出力軸２２の回転角の測定値θ_ｏが出力される。

トルクセンサ３０によるトルクの測定値τ_ｏからトルク誤差推定器５５で求められたトルクの誤差推定値τ_ｅｒｒを減ずることにより、トルクの補正値τ_ｏｃを求める。トルクの補正値τ_ｏｃに対して比例ゲインＫ_τを作用させる比例動作、トルクの補正値τ_ｏｃの微分値に対して微分ゲインＫ_τＤを作用させる微分動作を行う。出力軸２２の回転角の測定値θ_ｏに対して比例ゲインＫ_θｏを作用させる比例動作、出力軸２２の回転角の測定値θ_ｏの微分値に対して微分ゲインＫ_θｏＤを作用させる微分動作を行う。

出力軸２２の回転角の目標値θ_ｏｔに対する出力軸２２の回転角の測定値θ_ｏの偏差θ_ｏｔ－θ_ｏを計算する。この偏差θ_ｏｔ－θ_ｏに対して、積分ゲインＫ_ｉを作用させる積分動作を行う。トルクの補正値τ_ｏｃに対する比例動作の計算値、微分動作の計算値、及び回転角の測定値θ_ｏに対する比例動作の計算値及び微分動作の計算値の合計値と、偏差θ_ｏｔ－θ_ｏとの差分を、トルクの指令値τ_ｄとする。

トルクの指令値τ_ｄを駆動軸１３に発生させることにより、出力軸２２の回転角を目標値θ_ｏｔに近づけることができる。

次に、上記実施例の優れた効果について説明する。
上記実施例では、トルク誤差推定器５５によって推定されたトルクの誤差推定値τ_ｅｒｒに基づいて、トルクセンサ３０（図１）によるトルクの測定値τ_ｏを補正し、補正値τ_ｏｃを求めている。この補正値τ_ｏｃには、図４～図６を参照して説明したように、高周波ノイズが含まれておらず、むだ時間も生じない。さらに、定常状態におけるオフセットの発生を抑制することができる。

また、図７を参照して説明したように、ローパスフィルタを用いる場合のような信号遅れも生じない。この補正値τ_ｏｃを用いてフィードバック制御を行うため、直列弾性アクチュエータの制御の精度を高め、かつ応答速度を速くすることが可能である。

また、ノイズやむだ時間が大きな安価なトルクセンサや、分解能の低い安価なエンコーダを用いても、フィードバック制御の高い精度及び応答性を実現することができる。上記実施例では、駆動軸１３及び出力軸２２の回転角を検出するためにエンコーダを用いているが、その他の回転角度検出器、例えばホールセンサ等を用いてもよい。

上記実施例では、駆動軸１３に発生させるトルクを制御しているが、他の物理量を制御量としてもよい。例えば、モータ１１に対して位置制御、速度制御等を行ってもよい。

次に、図９を参照して他の実施例による直列弾性アクチュエータ及びその制御装置について説明する。図２に示した実施例では、トルク誤差推定器５５がトルクの測定値τ_ｏの誤差を推定している。これに対して本実施例では、ねじれ角誤差推定器５６が、ねじれ角の測定値の誤差を推定する。

図９は、本実施例による直列弾性アクチュエータの制御装置が行う補正方法を示すブロック線図である。駆動軸１３（図１）の回転角の測定値θ_ｄと出力軸２２（図１）の回転角の測定値θ_ｏとの差であるねじれ角の測定値Δθを計算する。出力軸２２に印加されているトルクの測定値τ_ｏに、ねじれ剛性の逆数Ｋｓ^－１を作用させて角度に換算し、ねじれ角の換算値Δθ_τを計算する。ねじれ角の測定値Δθとねじれ角の換算値Δθ_τとの差をねじれ角誤差推定器５６に入力する。

ねじれ角誤差推定器５６は、ねじれ角の測定値Δθとねじれ角の換算値Δθ_τとの差に基づいて、ねじれ角の測定値Δθの誤差を推定し、ねじれ角の誤差推定値Δθ_ｅｒｒを求める。ねじれ角誤差推定器５６として、例えばカルマンフィルタを用いることができる。ねじれ角の測定値Δθから、誤差推定値Δθ_ｅｒｒを減ずることにより、ねじれ角の補正値Δθ_ｃを求める。

ねじれ角の補正値Δθ_ｃに、ねじれ剛性に相当する換算係数Ｋｓを乗じることにより、出力軸２２に印加されているトルクを計算する。このトルクの計算値を、図８に示したブロック線図のトルクの補正値τ_ｏｃとして用いることにより、フィードバック制御を行う。

図９に示した実施例においても、図１～図８を参照して説明した実施例と同様に、直列弾性アクチュエータの制御の精度を高め、かつ応答速度を速くすることが可能である。

次に、図１０を参照して、上記実施例による直列弾性アクチュエータを用いた多関節ロボットアームについて説明する。図１０は、多関節ロボットアームの概略図である。

多関節ロボットアームは、複数のリンク６１、及びリンク６１同士を接続する複数の関節６２を備えている。最も基部のリンク６１が、１つの関節６２を介して基台７０に取り付けられている。複数の関節６２のそれぞれに、上記実施例による直列弾性アクチュエータが用いられる。最も先端のリンク６１の先端に、エンドエフェクタ６３が取り付けられている。エンドエフェクタ６３は一対の可動プレート６３Ａを有している。複数の関節６２を動作させることにより、エンドエフェクタ６３の位置及び姿勢を変化させることができる。多関節ロボットアームは、可動プレート６３Ａで対象物６５をピックアップし、被組付物６６に対象物６５を組み付ける。

関節６２に、上記実施例におる直列弾性アクチュエータが用いられているため、エンドエフェクタ６３の位置の精度及び姿勢の精度を高めることができる。さらに、多関節ロボットの動作速度を速めることができる。

上述の各実施例は例示であり、異なる実施例で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。複数の実施例の同様の構成による同様の作用効果については実施例ごとには逐次言及しない。さらに、本発明は上述の実施例に制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

１０ 回転駆動装置
１１ モータ
１２ 減速機
１３ 駆動軸
１４ ドライバ
２１ 弾性部材
２２ 出力軸
３０ トルクセンサ
３１ 駆動軸エンコーダ
３２ 出力軸エンコーダ
５０ 制御装置
５１ モータドライバ
５５ トルク誤差推定器
５６ ねじれ角誤差推定器
６０ 多関節ロボットアーム
６１ リンク
６２ 関節
６３ エンドエフェクタ
６３Ａ 可動プレート
６５ 対象物
６６ 被組付物
７０ 基台

Claims (5)

1. 駆動軸のトルクを、弾性部材を介して出力軸に伝達し、前記出力軸を回転させる直列弾性アクチュエータを制御する制御装置であって、
   前記制御装置は、
   前記出力軸に印加されるトルクをトルクセンサで測定した第１測定値、前記駆動軸の回転角の測定値と前記出力軸の回転角の測定値との差である第２測定値とに基づいて、前記第１測定値の誤差及び前記第２測定値の誤差の一方を推定し、
   前記第１測定値と、前記第１測定値の誤差の推定値とに基づいて前記第１測定値を補正するか、または、前記第２測定値と、前記第２測定値の誤差の推定値とに基づいて前記第２測定値を補正し、
   前記第１測定値の補正値または前記第２測定値の補正値に基づいて前記駆動軸を制御する直列弾性アクチュエータの制御装置。
2. 前記制御装置は、カルマンフィルタを用いて前記第１測定値の誤差及び前記第２測定値の誤差の一方を推定する請求項１に記載の直列弾性アクチュエータの制御装置。
3. トルクを発生する駆動軸を含む回転駆動装置と、
   前記駆動軸から弾性部材を介してトルクが伝達される出力軸と、
   前記駆動軸の回転角を検出する駆動軸エンコーダと、
   前記出力軸の回転角を検出する出力軸エンコーダと、
   前記出力軸に印加されるトルクを測定するトルクセンサと、
   制御装置と
   を備え、
   前記制御装置は、
   前記トルクセンサで測定した第１測定値、前記駆動軸エンコーダの測定値と前記出力軸エンコーダの測定値との差である第２測定値とに基づいて、前記第１測定値の誤差及び前記第２測定値の誤差の一方を推定し、
   前記第１測定値と前記第１測定値の誤差の推定値とに基づいて前記第１測定値を補正するか、または、前記第２測定値と前記第２測定値の誤差の推定値とに基づいて前記第２測定値を補正し、
   前記第１測定値の補正値または前記第２測定値の補正値に基づいて、前記回転駆動装置を制御する直列弾性アクチュエータ。
4. 前記制御装置は、カルマンフィルタを用いて前記第１測定値の誤差及び前記第２測定値の誤差の一方を推定する請求項３に記載の直列弾性アクチュエータ。
5. 複数の関節を含む多関節ロボットアームであって、前記複数の関節のうち少なくとも１つの関節は、請求項３または４に記載の直列弾性アクチュエータを含む多関節ロボットアーム。
   

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