JP4487073B2

JP4487073B2 - 外力推定方法および外力推定装置

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Publication number: JP4487073B2
Application number: JP2006057614A
Authority: JP
Inventors: 潔大石; 誠一郎桂; 航平入江
Original assignee: Nagaoka University of Technology
Current assignee: Nagaoka University of Technology
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2010-06-23
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP2007233917A

Description

本発明は、アクチュエータに加わる外力を推定し得る外力推定方法および外力推定装置に関する。

一般に、この種の外力推定方法や外力推定装置を実現する外乱オブザーバは、力覚センシングやロバスト制御（外乱抑圧制御など）を必要とする多くの産業機器や民生機器に使用されており、制御対象であるアクチュエータのトルクと位置の各情報から、擬似微分器と加算器などを含む線形フィルタによって加速度外乱を推定するようになっている。

外乱オブザーバの重要な情報は、アクチュエータに加わる外力すなわち外乱トルクを推定するための加速度情報である。これは例えば特許文献１にも開示されているように、モータの入力電流値ｉと位置θから、外乱トルクτの推定値＾τ（以下、数式以外では、この推定値をあらわす「＾」を、対応する記号の前に併記する。）を算出する位置センサベースの外乱オブザーバ、またはモータの入力電流値ｉと加速度θ^・・（以下、数式以外では、１階の微分を「^・」とし、２階の微分を「^・・」として便宜上あらわし、対応する記号の後に併記する。）から、外乱トルクτの推定値＾τを算出する加速度センサベースの外乱オブザーバから得ることができる。

図１５は、従来知られている位置センサベースの外乱オブザーバを概略的に示したものである。同図において、１は外乱トルクを推定する対象として設けられ、エネルギーを動力に変換する可動可能なアクチュエータであり、これは前述の電流値ｉをリニアモータなどの駆動源に入力することにより、実際の位置に動作するものである。アクチュエータ１には、前記実際の位置θを電気的な位置信号に変換して検出出力するために、例えばリニアエンコーダなどの位置センサ２が装着される。

一方、アクチュエータ１を制御する外乱オブザーバ11は、前記アクチュエータ１への指令値である電流値ｉを入力すると共に、前記位置θを擬似微分器12で擬似微分した値（応答速度値＾θ^・）を入力して、これらの各値から外乱トルクの推定値を出力するもので、実際には擬似微分器12と共に、コンピュータのソフトウェアなどで構成される。擬似微分器12は、前記位置信号を速度信号に変換するもので、位置θに対し擬似微分を施すことで、ノイズに対する感度を抑制した変換出力を得ることができる。外乱オブザーバ11は、前記アクチュエータ１と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記電流ｉをトルク（力）単位の第１信号に変換し、この第１信号と前記擬似微分器12からの応答速度＾θ^・を微分して得た第２信号とを比較した第３信号を出力する逆モデル部14と、この逆モデル部14での微分の際にカットオフ周波数を設定することにより形成され、前記逆モデル部14から低周波帯域の成分の第３信号を取り出し、これを外乱トルクの推定値＾τとして出力するローパスフィルタ15と、により構成される。

そして、上記図１５の構成では、アクチュエータ１に外力である外乱トルクτが与えられると、逆モデル部14において、アクチュエータ１に電流ｉが与えられた時の公称トルク値である第１信号と、外乱トルクτにより変位を生じた位置θに基づく第２信号との間に偏差を生じ、この偏差に見合う第３信号が出力される。これにより、ローパスフィルタ15からは、カットオフ周波数で規定された特定の低周波帯域の推定値＾τが出力される。この外乱トルクの推定値＾τを、図示しないトルク電流変換器により電流値に変換すれば、外乱オブザーバ11を利用して前記アクチュエータ１をフィードバック制御することができる。
特開２００２−３６６２０３号公報

上述した位置センサベースの外乱オブザーバ11では、位置エンコーダによって感知される位置応答を、擬似微分器12と外乱オブザーバ11とにより２階微分することで、加速度応答を得るようにしている。しかし、その処理の過程で微分ノイズの増大を抑制するために、外乱オブザーバ11の帯域が制限されてしまうので、ゼロ周波数（直流成分）付近の低い周波数の加速度検出には適しているが、例えば人が認識できる刺激の周波数（〜数百Ｈｚ）にまで、外乱オブザーバ11の帯域を上げることはできない。したがって、人が感じ得る力覚・触覚モーションの制御や、広帯域のロバスト加速度制御には、帯域が狭過ぎて適さないという問題があった。

また、別な加速度センサーベースの外乱オブザーバは、近年１ｇ以下の加速度センサが実用化され、こうした加速度センサをアクチュエータに装着させて、リニアモーションを行なうことが容易になってきているが、加速度センサの帯域幅は１Ｈｚ〜１ｋＨｚ以上とある程度の広さを有するものの、ゼロ周波数付近に対応する加速度センサは実在しない。そのためこれも、直流成分をカバーするような広帯域の加速度（力）制御を実現できない問題が存在していた。

本発明は上記の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、微分ノイズによる影響を最小限に抑えつつ、直流成分を含む幅広い周波数領域の外力推定値を取得できる外力推定方法および外力推定装置を提供することにある。

本発明の外力推定方法は、アクチュエータの位置を検出して、位置信号を出力するステップと、前記アクチュエータの加速度を検出して、加速度信号を出力するステップと、前記アクチュエータに入力する指令値と前記位置信号とに基づき、前記アクチュエータに加わる外力を推定する第１推定信号を生成するステップと、前記アクチュエータに入力する指令値と前記加速度信号との比較により、前記アクチュエータに加わる外力を推定する第２推定信号を生成するステップと、前記第１推定信号と前記２推定信号とを加算して、最終的な外力推定値を出力するステップと、からなる。

また、本発明の外力推定装置は、アクチュエータの位置を検出して、位置信号を出力する位置検出手段と、前記アクチュエータの加速度を検出して、加速度信号を出力する加速度検出手段と、前記アクチュエータに入力する指令値と前記位置検出手段からの位置信号とに基づき、前記アクチュエータに加わる外力を推定する第１推定信号を生成する位置情報型外乱オブザーバと、前記アクチュエータに入力する指令値と前記加速度検出手段からの加速度信号との比較により、前記アクチュエータに加わる外力を推定する第２推定信号を生成する加速度情報型外乱オブザーバと、前記第１推定信号と前記２推定信号とを加算して、最終的な外力推定値を出力する加算手段と、を備えて構成される。

上記方法および上記装置により、アクチュエータに外乱トルクなどの外力が与えられると、基準値である力単位の信号と位置信号に基づき算出された信号との間に偏差を生じたり、基準値である力単位の信号と加速度信号との間に偏差を生じたりして、アクチュエータに加わる外力を推定するような位置情報型の第１推定信号や、加速度情報型の第２推定信号が各々取り出される。したがって、これらの信号成分を加算すれば、低周波帯域から高周波帯域に至る幅広い外力の推定値を最終的に得ることができる。

つまり、高い周波数成分の外力を加速度情報型外乱オブザーバによって推定し、ゼロを含む低い周波数成分の外力を位置情報型外乱オブザーバによって推定することで、位置情報型外乱オブザーバおよび加速度情報型外乱オブザーバ単独での帯域の狭さを補って、微分ノイズによる影響を最小限に抑えつつ、直流成分を含む従来よりも幅広い周波数領域の外力推定値を取得できる。

以下、添付図面に基づいて、本発明における好適な実施例を詳細に説明する。なお、上記図１５で説明したものと同一部分には同一符号を付し、共通する箇所の説明は重複を極力避けるため省略する。

図１は、本発明の好ましい実施例を示す外力推定装置の概要をあらわした制御ブロック図である。同図において、ここでは直流成分を含む低い周波数成分に関する外乱トルクτの推定を、図１５に示すものと同様に、位置センサ２と、電流値ｉおよび位置センサ２からの位置信号を受ける位置情報型の第１外乱オブザーバ11とにより負担させる一方で、高い周波数成分に関する外乱トルクτの推定を、新たに追加した加速度センサ３と、電流値ｉおよび加速度センサ３からの加速度信号を受ける加速度情報型の第２外乱オブザーバ11とにより負担させる構成が注目される。すなわち、図１では、位置センサ２と加速度センサ３を共に利用して、双方の欠点を補うことで、従来よりも広帯域な外力推定装置を構成するようにしている。なお、ここではリニアモーションのアクチュエータ１に適用するために、位置センサ２としてリニアエンコーダを採用しているが、例えば回転動作するものではロータリーエンコーダを採用してもよく、アクチュエータ１の構成に応じて適切な位置センサ２や加速度センサ３を選択すればよい。また、位置センサ２若しくは加速度センサ３を、アクチュエータ１に複数配設してもよい。こうした位置センサ２や加速度センサ３を併用した装置構成を、以後、マルチセンサ併用型外力推定装置（外乱オブザーバ）と称する。

前記第１外乱オブザーバ11は、アクチュエータ１に入力する電流指令値ｉと位置センサ２からの位置信号とに基づき、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第１推定信号を生成するもので、この第１推定信号は加算器31に出力される。また、第２外乱オブザーバ21は、アクチュエータ１に入力する電流指令値ｉと加速度センサ３からの加速度信号との比較により、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第２推定信号を生成するもので、この第２推定信号も加算器31に出力される。加算器31は、これらの第１推定信号と第２推定信号とを加算して、最終的な外力推定値を出力する。

図２は、図１の構成をより具体化したものである。同図において、前記アクチュエータ１には位置センサ２の他に加速度センサ３が装着される。この加速度センサ３は、アクチュエータ１の加速度を電気的な電気信号に変換して、後述する第２外乱オブザーバ21に検出出力するものである。また、位置センサ２は、アクチュエータ１の実位置θを電気的な位置信号に変換して擬似微分器12に検出出力するものであり、第１外乱オブザーバ11は前述したように、アクチュエータ１への電流値ｉをトルク（力）単位の第１信号に変換し、この第１信号と前記擬似微分器12からの応答速度＾θ^・を微分して得た第２信号とを比較した第３信号（第１推定信号）を逆モデル部14から出力すると共に、ローパスフィルタ15によって直流成分を含む低周波帯域の第３信号だけを取り出ように構成される。また、図２に示す擬似微分器12は、図１に示す位置情報型の第１外乱オブザーバ11に含めたものと見ることができる。

第２外乱オブザーバ21は、第１外乱オブザーバ11や擬似微分器12と同様に、コンピュータのソフトウェアなどで構成される。当該第２外乱オブザーバ21は、アクチュエータ１と等価的な逆モデルが組み込まれ、前記アクチュエータ１への電流ｉをトルク（力）単位の第４信号に変換し、この第４信号と前記加速度センサ３からの加速度θ^・・に対応する信号（加速度信号）とを比較した第５信号を出力する逆モデル部24と、この逆モデル部24から、高周波帯域の成分の第５信号だけを取り出して出力するハイパスフィルタ25と、を備えている。そして、前記ローパスフィルタ15から出力される低周波帯域の成分の第３信号と、ハイパスフィルタ25から出力される高周波帯域の成分の第５信号（第２推定信号）とを、加算器31で加算することで、幅広い周波数領域の信号成分を含む外乱トルクの推定値＾τを出力するようになっている。

なお、第１外乱オブザーバ11から出力される第３信号の周波数帯域は、ローパスフィルタ15の極（カットオフ周波数）によって決定され、第２外乱オブザーバ21から出力される第５信号の周波数帯域は、ハイパスフィルタ25の極（カットオフ周波数）によって決定される。したがって、外乱トルクの推定値＾τが、直流成分から少なくとも１ｋHｚ以上の全周波数帯域にわたって出力できるように、ローパスフィルタ15およびハイパスフィルタ25の極を調整するのが好ましい。

次に、上記構成についてその作用を説明すると、アクチュエータ１に外力である外乱トルクτが与えられると、アクチュエータ１に取付けられた位置センサ２と加速度センサ３は、アクチュエータ１の位置θと加速度θ^・・の変位を各々検出して、これを位置信号と加速度信号としてそれぞれ出力する。第１外乱オブザーバ11を構成する逆モデル部14では、アクチュエータ１に電流ｉが与えられた時の公称トルク値である第１信号と、外乱トルクτにより変位を生じた位置θに基づく第２信号（応答速度＾θ^・）との間に偏差を生じ、この偏差に見合う第３信号が出力される。これにより、ローパスフィルタ15からは、カットオフ周波数で規定された直流成分を含む低周波帯域の第３信号が出力される。

一方、本実施例では、加速度センサにより検出された加速度信号が、別な第２外乱オブザーバ21に出力されるようになっている。そのため、外乱トルクτの影響を受けてアクチュエータ１の加速度θ^・・が変化すると、第２外乱オブザーバ21の逆モデル部24において、アクチュエータ１に電流ｉが与えられた時の公称トルク値である第４信号と、前記加速度信号との間に偏差を生じ、この偏差に見合う第５信号がハイパスフィルタ25に出力される。これにより、ハイパスフィルタ25からは、前記第３信号よりも高周波帯域の第５信号が出力される。

これらの第３信号や第５信号は、各々低周波帯域と高周波帯域における外乱トルクの推定値に相当するものなので、加算器31によりこれらの各信号成分を加算すれば、直流成分から高周波帯域に至る幅広い外乱トルクの推定値＾τを得ることができる。

図３は、従来例と本実施例における周波数特性の比較を示したものである。同図において、上段のボード線図は周波数（角周波数）と振幅との関係を示し、また下段のボード線図は周波数と位相との関係を示している。また各ボード線図において、点線は加速度センサベースの外乱オブザーバによる推定値＾τ^ａを示し、また一点鎖線は位置センサベースの外乱オブザーバによる推定値＾τ^ｐを示し、さらに実線は、本実施例における位置センサ２と加速度センサ３を併用した外乱オブザーバ11，21による推定値＾τ^ｐ＋ａを示している。

図３からも明らかなように、本実施例では推定値＾τ^ｐ＋ａの振幅および位相の各特性が、従来の加速度センサベースや位置センサベースの外乱オブザーバに比べて、低い周波数から比較的高い周波数に至るまでフラットであることがわかる。

以上のように本実施例では、アクチュエータ１の位置θを検出して、その位置信号を出力する位置検出手段としての位置センサ２と、アクチュエータ１の加速度θ^・・を検出して、その加速度信号を出力する加速度検出手段としての加速度センサ３と、アクチュエータ１に入力する電流指令値ｉと位置センサ２からの位置信号とに基づき、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第１推定信号を生成する第１外乱オブザーバ11と、アクチュエータ１に入力する電流指令値ｉと加速度センサ３からの加速度信号との比較により、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第２推定信号を生成する第２外乱オブザーバ21と、第１推定信号と第２推定信号とを加算して、最終的な外力推定値を出力する加算手段としての加算器31とを備えている。

より具体的には、図１に示す第１外乱オブザーバ11は、アクチュエータ１に入力する指令値である電流ｉを力（トルク）単位の第１信号に変換し、この第１信号と位置センサ２からの位置信号を２階微分した加速度（力）単位の第２信号との比較により、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第３信号を生成する第１外力推定手段としての擬似微分器12および逆モデル部14と、逆モデル部14から直流成分を含む低周波帯域の第３信号だけを取り出して出力する第１フィルタ手段としてのローパスフィルタ15とにより構成され、また図１に示す第２外乱オブザーバ21は、アクチュエータ１に入力する電流ｉを力単位の第４信号に変換し、この第４信号と加速度センサ３からの加速度信号との比較により、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第５信号を生成する第２外力推定手段としての逆モデル部24と、この逆モデル部24から前記第３信号よりも高周波帯域の第５信号だけを取り出して出力する第２フィルタ手段としてのハイパスフィルタ25とにより構成される。そして加算器31は、前記低周波帯域の第３信号と前記高周波帯域の第５信号とを加算して、最終的な外力推定値である外乱トルクの推定値＾τを出力する加算手段としての機能を備えている。

このような構成の外力推定装置は、アクチュエータ１に外力である外乱トルクτが与えられると、基準値である第１信号（力単位の信号）と位置信号に基づき算出された第２信号との間に偏差を生じたり、基準値である第４信号（力単位の信号）と加速度信号との間に偏差を生じたりして、アクチュエータ１に加わる外力を推定するような直流成分を含む低周波帯域の第３信号や、この第３信号よりも帯域の高い第５信号が各々取り出される。したがって、これらの信号成分を加算すれば、低周波帯域から高周波帯域に至る幅広い外乱トルクの推定値＾τを最終的に得ることができる。

つまり、高い周波数成分の外力を加速度情報型の外乱オブザーバ21によって推定し、ゼロを含む低い周波数成分の外力を位置情報型の外乱オブザーバ11によって推定することで、位置情報型外乱オブザーバおよび加速度情報型外乱オブザーバ単独での帯域の狭さを補って、微分ノイズによる影響を最小限に抑えつつ、直流成分を含む従来よりも幅広い周波数領域の外力推定値を取得できる。

そしてこれは、アクチュエータ１の位置θを検出して、その位置信号を出力すると共に、アクチュエータ１の加速度θ^・・を検出して、その加速度信号を出力し、一方では、アクチュエータ１に入力する電流指令値ｉと前記位置信号とに基づき、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第１推定信号を生成し、他方では、アクチュエータ１に入力する電流指令値ｉと前記加速度信号とに基づき、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第２推定信号を生成し、こうして得られた第１推定信号と第２推定信号とを加算して、最終的な外力推定値を出力する方法を採用しても、同様に実現可能である。

また、より具体的には、アクチュエータ１の位置θを検出して、その位置信号を出力すると共に、アクチュエータ１の加速度θ^・・を検出して、その加速度信号を出力し、一方では、アクチュエータ１に入力する電流ｉを力単位の第１信号に変換し、この第１信号と前記位置信号を２階微分した加速度単位の第２信号との比較により、アクチュエータ１に加わる外力を推定する第３信号を生成して、そこから直流成分を含む低周波帯域の第３信号だけを取り出し、他方では、アクチュエータ１に入力する電流ｉを力単位の第４信号に変換し、この第４信号と前記加速度信号との比較により、アクチュエータ１に加わる外力を推定する別な第５信号を生成して、そこから前記第３信号よりも高周波帯域の第５信号だけを取り出し、こうして得られた低周波帯域の第３信号と高周波帯域の第５信号とを加算して、最終的な外力推定値である外乱トルクの推定値＾τを出力する方法を採用しても、同様に実現可能である。

次に、図１におけるマルチセンサ併用型外力推定装置に基づいた具体的な変形例を説明する。図４は、図１ひいては図２に示す外力推進装置を利用して、加算器31から出力される外乱トルクの推定値＾τ_dismを、トルク−電流変換手段33により電流目標値Ｉ_refの単位に推定電流値Ｉ_cmpとして逆変換し、この推定電流値Ｉ_cmpと電流目標値Ｉ_refとを別な加算器34で加算することで、アクチュエータ１に入力する前記電流値（電流指令値）ｉを算出するようにしている。これにより、図３の装置では、外部からアクチュエータ１に加わる外乱トルクτを除去することができる。なお、アクチュエータ１は位置信号を出力するものなので、便宜上２段の積分器（１／ｓ）を通して、アクチュエータ１の出力（加速度θ_ｍ ^・・を２回積分して実際の位置θ_ｍを出力）としている。

ここで、図４における各記号を説明すると、Ｊ_ｍはモータ慣性であり、Ｋ_ｔはトルク係数であり、Ｆ_ｃはクーロン摩擦であり、Ｄ_ｍθ_ｍ ^・は粘性摩擦であり、τ_extは外部入力であり、記号の後にある添え字_ｎは公称値を意味する。また、外乱トルクτ_disは、次の数１であらわされる。

上記数１において、右辺の第一項はモータの慣性変動による外乱であり、第二項はトルク係数の変動によるトルク脈動を意味する。また、従来の位置センサベースの外乱オブザーバでは、ローパスフィルタ15により取り出された外乱トルクの推定値＾τ_disが、次の数２のようにあらわされる。

ここで、ｇ_disはローパスフィルタ15のカットオフ周波数を意味する。一方、図４における外力推定装置では、直流成分を検出できない加速度センサベースの外乱オブザーバ21における低域部分の周波数特性を、一次のハイパスフィルタ25によって成形し、そこに従来の位置センサベースの外乱オブザーバ11で低域部分を補間している。この場合の周波数特性を図５に示す。この図５も、上段のボード線図は周波数（角周波数）と振幅との関係を示し、下段のボード線図は周波数と位相との関係を示しており。点線は加速度センサベースの外乱オブザーバによる推定値＾τ^ａを示し、また一点鎖線は位置センサベースの外乱オブザーバによる推定値＾τ^ｐを示し、さらに実線は、本実施例における位置センサ２と加速度センサ３を併用した外乱オブザーバ11，21による推定値＾τ^ｐ＋ａを示している。また、このときの外乱トルクの推定値＾τ_disは、次の数３のようにあらわされる。

加速度センサ３の帯域幅が電流制御の帯域幅より広い時、外乱トルクは次の数４のように電流制御の帯域幅で完全に推定される。

このように、ここで提案するマルチセンサ併用型外力推定装置の帯域幅は、従来知られているものよりも広帯域であり、加速度センサ３のもつ帯域に応じて任意に拡張可能である。

図６および図７は、図４におけるマルチセンサ併用型外力推定装置の実用性を確かめるために、当該装置を位置制御と力制御にそれぞれ適用した例を示している。

先ず、図６に示すように、無限大の制御剛性である位置制御に実装した場合の有効性を、後述するシミュレーションにより確認する。ここでは、図４の構成に加えて、位置目標値θ_ｍ ^cmdと位置θ_ｍとの差が減算器41で算出され、この減算器41の算出結果を、位置−加速度変換器42で加速度指令値θ_ｍ ^ref・・に変換し、さらにこの加速度応答θ_ｍ ^ref・・を、加速度−電流変換器43で前記電流目標値Ｉ_refに変換して、加算器34に出力するように構成される。この位置信号のフィードバックループを付加することにより、アクチュエータ１の位置制御が可能になる。

また、当該位置制御における各変数は、次の表１のように設定した。

前記加速度指令値は、以下の数５のように生成される。

ここで、Ｋ_ｐは位置制御ゲインをあらわし、またＫ_ｖは速度制御ゲインをあらわしている。

シミュレーションは次の４つのケース、すなわち、ケース１：外乱オブザーバを設けていない場合の位置制御、ケース２：位置センサベースの外乱オブザーバを用いた従来の位置制御、ケース３：加速度センサのみによる外乱オブザーバを用いた位置制御、ケース４：図６に示すマルチセンサ併用型外乱オブザーバを用いた位置制御、の各条件で行なわれた。また、全てのケースにおいて、ステップ状の外乱を0.5秒後に加えている。

図８は、当該シミュレーションの結果を時間と位置との関係で示したものである。なお、各グラフのＣは要求する位置をあらわし、またＲが制御応答による位置をあらわしている。同図において、図８の（１）はケース１のシミュレーション結果であり、ここでの位置サーボはＰＤ（比例微分）制御系で構成され、外乱による位置の定常偏差が観測できる。また、図８の（２）は、ケース２の場合で外乱補償を行なったシミュレーション結果である。ここでは、外乱による位置偏差が補償されている、図８の（３）は、ケース３により位置制御を補償したシミュレーション結果であり、加速度センサ３が直流成分を取得できないので、時間の経過と共に位置偏差が次第に増加している。これに対して、ケース４のシミュレーション結果である図８の（４）では、衝突外乱による位置偏差や定常位置偏差が、広帯域な外乱オブザーバ11，21によって改善されており、要求を満たす応答特性が得られている。

次に、ゼロ剛性制御である力制御に適用した場合の実装した場合の有効性を、同様に確認する。図７は力制御を実現するブロック線図を示したものである。こここでは図４の構成に加えて、位置センサベースの外乱オブザーバ51と、加速度センサベースの外乱オブザーバ61がさらに設けられる。外乱オブザーバ51は、アクチュエータ１への電流値ｉをトルク（力）単位の第６信号に変換し、この第６信号と、クーロン摩擦Ｆ_ｃおよび粘性摩擦Ｄ_ｍθ_ｍ ^・を加算した摩擦力の値と、前記擬似微分器12からの応答速度＾θ^・を微分して得た別な第７信号とを比較した第８信号を逆モデル部54から出力すると共に、ローパスフィルタ55によって直流成分を含む低周波帯域の第８信号だけを取り出ように構成される。また、もう一つの外乱オブザーバ61は、アクチュエータ１への電流ｉをトルク（力）単位の第９信号に変換し、この第９信号と、クーロン摩擦Ｆ_ｃおよび粘性摩擦Ｄ_ｍθ_ｍ ^・を加算した摩擦力の値と、前記加速度センサ３からの加速度θ^・・に対応する信号（加速度信号）とを比較した第１０信号を出力する逆モデル部64と、この逆モデル部64から、高周波帯域の成分の第１０信号だけを取り出して出力するハイパスフィルタ25と、を備えている。そして、前記ローパスフィルタ55から出力される低周波帯域の成分の第８信号と、ハイパスフィルタ65から出力される高周波帯域の成分の第９信号とを、加算器68で加算することで、幅広い周波数領域の信号成分を含む外力の推定値＾τ_extを出力するように構成される。

さらに、この図７の構成では、力目標値τ^cmdと外力の推定値＾τ_extとの差が減算器71で算出され、この減算器71の算出結果が、力−加速度変換器72で加速度指令値θ_ｍ ^ref・・に変換され、さらにこの加速度応答θ_ｍ ^ref・・が、加速度−電流変換器43で前記電流目標値Ｉ_refに変換され、加算器34に出力するように構成される。この力信号のフィードバックループを付加することにより、広帯域なアクチュエータ１の力制御が可能になる。

当該力制御における各変数は、次の表２のように設定した。

また、力制御における加速度指令値は、以下の数６のように生成される。

なお、Ｃ_ｆは力制御ゲインをあらわしている。

シミュレーションは次の３つのケース、すなわち、ケース１：位置センサベースの外乱オブザーバを用いた力制御、ケース２：加速度センサのみによる外乱オブザーバを用いた力制御、ケース３：図７に示すマルチセンサ併用型外乱オブザーバを用いた力制御、の各条件で行なわれた。また、ロボットの初期位置は環境が外見上止まった所とする。

図９は、各ケースにおけるシミュレーションの結果を、時間と力および時間と位置の関係でそれぞれ示したものである。なお、時間−力特性を示す左側の各グラフのＣは要求する力をあらわし、またＲが制御応答による力をあらわしている。同図において、図９の（１）はケース１のシミュレーション結果であり、従来の外乱オブザーバでは、堅い環境の剛性に対する帯域幅が低いため、時間が経過するに従ってノイズが増加し、接触動作が不安定になっていることがわかる。また、図９の（２）は、ケース２の場合における力応答のシミュレーション結果を示している。加速度センサのみの制御であるため、直流成分を取得できず、力制御ができていない。これに対して、ケース３のシミュレーション結果である図９の（３）では、力および位置の双方において安定した応答特性が得られており、従来は不可能であった堅い環境への接触も可能になった。また、広帯域であるため、ハプティクス（触覚学）にとって非常に必要とされる利点となる。

図１０は、図７に示す装置構成を実現する実験装置の一例である。同図において、ここでの実験装置は、前記アクチュエータ１としてロッドタイプのリニアアクチュエータを使用している。これは、基台80に対して可動可能な可動部81を備えたリニアモータ82として配設される。また、83は前記位置センサ２に相当するリニアエンコーダであり、加速度センサ３はリニアモータ82の可動部81に実装される。さらに、Ｅは棒状の可動部81の先端が当接可能な環境である。

図１０の実験装置における各変数は、次の表３のように設定した。

実験は、従来の位置センサベースの外乱オブザーバと、本実施例で提案したマルチセンサベースの外乱オブザーバとの間で、外乱推定性能を比較することで行なわれた。オブザーバの性能を比較するには、同じ実験環境で外乱を推定する必要があるが、一つのプラントで二つのオブザーバから同時にフィードバックすることはできない。そこで、両者をフィードバックせずに外乱推定のみ行った。これにより、同一条件下でのオブザーバの比較を行なうことができる。推定する外乱は、位置制御で制御対象が静止しているところに堅い金属を衝突させることで入力した。図１１は、その実験結果を示す時間−外乱応答値のグラフで、図中PDOは従来の位置センサベースによる外乱応答の測定結果であり、MSDOは本実施例で提案したマルチセンサベースによる外乱応答の測定結果である。図１１の特に（ａ）部分に着目すると、提案法の外乱応答MSDOは、従来法の外乱応答PDOよりも素早く、高いピークを示している。また、図１１の（ｂ）部分において、従来法の外乱応答PDOは微分ノイズが増幅されているが、提案法の外乱応答MSDOは、提案法MSDOは高周波成分が少ないことが分かる。これらの結果から、本実施例における提案法は従来の方法よりも優れていることが分かる。

次に、力制御での実験結果を図１２および図１３に示す。ここでは、同一の帯域幅で、従来の外乱オブザーバと本実施例で提案した方法との比較を行なう。

図１２は、帯域幅を2000rad/secに設定したときの時間−位置特性であり、また図１３は、帯域幅を6280rad/secに設定したときの時間−位置特性である。なお、位置センサ２（リニアエンコーダ83）と加速度センサ３の帯域を結合させた帯域は、200rad/secである。

図１２の実験結果では、（１）の従来法と、（２）の提案法のいずれにおいても、正常な力応答が得られる帯域を選択している。この帯域では、結果的に同じ力応答を示したことにより、本実施例で提案した方法が従来の方法と同様の機能を持つものであることが確かめられた。また図１３は、図１２よりも帯域幅を広げた場合の実験結果を示しているが、この場合は（１）の従来法において、力応答に微分ノイズが観測されている。それは実用的な外乱オブザーバとしての限界を示している。一方、図１３の（２）に示す提案法では、そうしたノイズが観測されず、安定した力応答を示している。その帯域幅は人の感覚よりも広く、パプティクスに最適であるといえる。また、上述の位置制御や力制御だけでなく、双方の制御を統合したハイブリッド制御にも応用が可能である。

また図１４は、前記図１に示した位置情報型の第１外乱オブザーバ11の別な変形例を示したものである。同図において、ｇ₁＝ｇ_dis ^２であり、またｇ₂＝２ｇ_disである（ｇ_disは極）。また、ここにあるブロック線図では、次の数７と数８が成り立つ。

ここにある第１外乱オブザーバ11は、前記図２に示すような擬似微分器12や、逆モデル部14や、ローパスフィルター15が独立して構成されている訳ではなく、各機能が一体的に集約されている。従って、ここでの第１外乱オブザーバ11は、電流指令値Ｉqと位置信号θを入力して、ゼロを含む低い周波数成分の外乱トルクの推定値＾Ｆ_disを、トルク−電流変換手段33に出力する機能を有する。なお、ここには図示していないが、図４に示すような加速度情報型の第２外乱オブザーバ21を組み合わせることで、低周波帯域から高周波帯域に至る幅広い外乱トルクの推定値＾Ｆ_disを得ることができる。このように、第１外乱オブザーバ11の内部構成は、適宜変更が可能である。

以上、本実施例で提案する装置や方法の有効性を確認したが、加速度制御の性能を決定するために特に重要な外乱オブザーバの帯域幅が、本実施例のような装置や方法で、直流成分から広帯域まで広げることが可能になることから、モーションコントロールにおいて多くの分野で適用可能となり、今後のヒューマンインタラクションにおける基盤技術になり得るものと期待される。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能である。例えば、アクチュエータ１は実施例で説明したリニアモーション以外に、回転など任意のモーションを行なえるものにも適用でき、それに対応して位置センサ２や加速度センサ３は、ｎ次元の検出機能を有するものを採用してよい。さらに、前記第１信号と第４信号は実質的に同じものであるので、共通の信号生成手段からこれらの第１信号や第４信号を出力する構成としてもよい。

本実施例で提案する新規なマルチセンサ併用型外力推定装置は、従来の外乱オブザーバでは困難とされた１ｋＨｚ以上の広帯域のロバスト加速度制御や、力覚・触覚センシングが可能になる。こうした力覚・触覚センシングは、特に人間が感じ得る周波数帯域の全領域をカバーできる可能性がある。また、得られた外乱トルクの推定値＾τを、アクチュエータ１の入力にフィードバックすれば、１ｋＨｚ以上の帯域を有する加速度制御系を、アクチュエータ１で実現できる可能性がある。このような展開例は、現時点では実現し得ない領域へ踏み込む基盤技術にもなるので、産業上の有用性は非常に高い。

例えば、ものの堅さや柔らかさの情報を、迅速且つリアルタイムに人間にフィードバックできる技術にも展開できる。これは、従来知られている力覚センサを利用しつつ、周波数特性の良好な力覚センシングが得られるものと期待され、さらにはアクチュエータ１そのものが力の発生源であり、力覚検出器となり得る技術になる。

本発明の好ましい実施例を示すマルチセンサベースの外乱オブザーバを含む外力推定装置の基本制御ブロック図である。同上、図１のより具体的な構成を示す外力推定装置の制御ブロック図である。従来例と図２に示す外力推定装置の周波数特性を示すボード線図である。図２おける外力推定装置に基づいた具体的な変形例を示すブロック線図である。従来例と図４に示す外力推定装置の周波数特性を示すボード線図である。図４におけるマルチセンサ併用型外力推定装置を位置制御に適用した例を示すブロック線図である。図４におけるマルチセンサ併用型外力推定装置を力制御に適用した例を示すブロック線図である。位置制御の結果を示すグラフである。位置制御の結果を示すグラフである。実験装置の一例を示す斜視図である。実験により得られた外乱推定性能の比較結果を示すグラフである。実験により得られた力制御の比較結果を示すグラフである。実験により得られた力制御の比較結果を示すグラフである。図４とは別な位置センサベースの外乱オブザーバを示したブロック線図である。従来例の位置センサベースの外乱オブザーバを示す概略の制御ブロック図である。

符号の説明

１アクチュエータ
２位置センサ（位置検出手段）
３加速度センサ（加速度検出手段）
11 第１外乱オブザーバ（位置情報型外乱オブザーバ）
21 第２外乱オブザーバ（加速度情報型外乱オブザーバ）
31 加算器（加算手段）

Claims

アクチュエータの位置を検出して、位置信号を出力するステップと、
前記アクチュエータの加速度を検出して、加速度信号を出力するステップと、
前記アクチュエータに入力する指令値と前記位置信号とに基づき、前記アクチュエータに加わる外力を推定する第１推定信号を生成するステップと、
前記アクチュエータに入力する指令値と前記加速度信号との比較により、前記アクチュエータに加わる外力を推定する第２推定信号を生成するステップと、
前記第１推定信号と前記２推定信号とを加算して、最終的な外力推定値を出力するステップと、からなることを特徴とする外力推定方法。
アクチュエータの位置を検出して、位置信号を出力する位置検出手段と、
前記アクチュエータの加速度を検出して、加速度信号を出力する加速度検出手段と、
前記アクチュエータに入力する指令値と前記位置検出手段からの位置信号とに基づき、前記アクチュエータに加わる外力を推定する第１推定信号を生成する位置情報型外乱オブザーバと、
前記アクチュエータに入力する指令値と前記加速度検出手段からの加速度信号との比較により、前記アクチュエータに加わる外力を推定する第２推定信号を生成する加速度情報型外乱オブザーバと、
前記第１推定信号と前記２推定信号とを加算して、最終的な外力推定値を出力する加算手段と、を備えたことを特徴とする外力推定装置。