JP4536349B2 - 弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体圧駆動アクチュエータ等、弾性体の変形により駆動される弾性体アクチュエータの動作を制御する弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置及び制御方法に関する。

近年、ペットロボットなどの家庭用ロボットの開発が盛んに行われており、将来は家事支援ロボット等、より実用的な家庭用ロボットが実用化されるものと期待されている。家庭用ロボットは、家庭内に入り、人間と共生する必要があるため、従来の産業用ロボットなどとは必要とされる仕様が異なる。

産業用ロボットでは、電気モータや減速器が用いられ、高ゲインのフィードバック制御により、繰り返し精度０．１ｍｍ等といった高い手先位置精度が実現されている。しかしながら、このような電気モータにより駆動される機構は、剛性が高く、柔らかさに欠ける場合が多く、安全性という面で問題が多い。

これに対し、家庭用ロボットでは、繰り返し精度０．１ｍｍ等といった高い精度は必ずしも必要とせず、人間との接触時に危害を与えないなど安全性が重視される。したがって、従来の産業用ロボットのように電気モータによる駆動される機構は、家庭用ロボットなど安全性が重視される分野に適しているとは言えず、柔軟で安全なロボットアームが必要とされている。

こうした課題に対し、例えば、図２に示すマッキベン型の空気圧アクチュエータを利用したロボットアームが提案されている。マッキベン型の空気圧アクチュエータは、図３に示すように、ゴム材料で構成された管状弾性体の外表面に繊維コードで構成された拘束手段が配設され、管状弾性体の両端部を封止部材で気密封止する構造となっている。流体注入出手段を通じて空気等の圧縮性流体により内圧を管状弾性体の内部空間に与えると、管状弾性体が主に半径方向に膨張しようとするが、拘束手段の作用により、管状弾性体の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮する。このマッキベン型のアクチュエータは主に弾性体で構成されるため、柔軟性があり、安全で軽量なアクチュエータであるという特徴を有する。

しかしながら、マッキベン型のアクチュエータ等、空気等の流体圧によって動作する流体圧駆動アクチュエータでは、流体の圧縮性による弾性的性質や流路抵抗等の影響により応答性が悪い等、弾性体アクチュエータは制御が難しいという課題をかかえている。

こうした課題に対し、従来技術としては、特許文献１において、サーボモータと流体圧駆動アクチュエータを組み合わせて駆動するロボットアームについて、遅延回路を具備することにより所望の軌道を描くことができる制御装置を開示している。

特許公報第２５８３２７２号

しかしながら、上記遅延回路を具備する制御装置では目標動作に対する遅延が常に発生するため、応答性が悪く、リアルタイム性が必要な作業を実行することはできない。また、サーボモータと流体駆動アクチュエータの組み合わせの場合のみ効果を発揮し、流体駆動アクチュエータのみで構成されるロボットアームでは効果を発揮することはできない。

本発明の目的は、上記従来の課題を解決し、弾性体アクチュエータで駆動されるロボットアーム等の可動機構を応答性良く、かつ、位置や力の精度良く制御できる弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置及び制御方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は以下のように構成する。

本発明の第１態様によれば、弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータの出力を計測する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータの出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記弾性体アクチュエータの出力の計測値とが入力されることにより出力誤差を補償する出力誤差補償手段と、
上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より、上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を決定する目標内部状態決定手段と、
上記出力誤差補償手段からの出力、及び上記目標内部状態決定手段からの出力、及び上記内部状態計測手段からの出力が入力されることにより内部状態誤差を補償する内部状態誤差補償手段とを備えるとともに、
上記目標内部状態決定手段は、上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より、逆運動学計算を行う逆運動学計算手段と、上記逆運動学計算手段の出力に基づき上記弾性体アクチュエータの内部状態の上記目標値を決定する目標内部状態計算手段を有して、
上記内部状態誤差補償手段により補償された上記内部状態誤差に基づき上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置を提供する。

本発明の第８態様によれば、弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの内部状態を内部状態計測手段により計測し、
上記弾性体アクチュエータの出力を出力計測手段により計測し、
上記弾性体アクチュエータの出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記弾性体アクチュエータの出力の計測値とが出力誤差補償手段に入力されて出力誤差を上記出力誤差補償手段により補償し、
上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を目標内部状態決定手段により決定し、
上記出力誤差補償手段からの出力、及び上記目標内部状態決定手段からの出力、及び上記内部状態計測手段からの出力が内部状態誤差補償手段に入力されて内部状態誤差を上記内部状態誤差補償手段により補償し、上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御するとともに、
上記目標内部状態決定手段で上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を決定するとき、上記弾性体アクチュエータの出力の上記目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より逆運動学計算手段で逆運動学計算を行い、上記逆運動学計算手段の出力に基づき上記弾性体アクチュエータの内部状態の上記目標値を目標内部状態計算手段で決定する、弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御方法を提供する。

本発明の制御装置によれば、内部状態誤差補償手段を配設して、上記弾性体アクチュエータの内部状態をフィードバックする制御系を構成し、かつ、目標内部状態決定手段を配設して、目標内部状態をフィードフォワードする制御系を構成することにより、応答性が良く、定常偏差の少ない、高速・高精度な制御が可能となる。

また、本発明の制御方法によれば、内部状態誤差補償手段により内部状態をフィードバックする制御を行い、かつ、目標内部状態決定手段により目標内部状態をフィードフォワードする制御を行うことにより、応答性が良く、定常偏差の少ない、高速・高精度な制御が可能となる。

本発明にかかる実施の形態を説明する前に、本発明の種々の態様について、まず、説明する。

本発明の第１態様によれば、弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置であって、
上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測する内部状態計測手段と、
上記弾性体アクチュエータの出力を計測する出力計測手段と、
上記弾性体アクチュエータの出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記弾性体アクチュエータの出力の計測値とが入力されることにより出力誤差を補償する出力誤差補償手段と、
上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より、上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を決定する目標内部状態決定手段と、
上記出力誤差補償手段からの出力、及び上記目標内部状態決定手段からの出力、及び上記内部状態計測手段からの出力が入力されることにより内部状態誤差を補償する内部状態誤差補償手段とを備えるとともに、
上記目標内部状態決定手段は、上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より、逆運動学計算を行う逆運動学計算手段と、上記逆運動学計算手段の出力に基づき上記弾性体アクチュエータの内部状態の上記目標値を決定する目標内部状態計算手段を有して、
上記内部状態誤差補償手段により補償された上記内部状態誤差に基づき上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置を提供する。

本発明の第２態様によれば、上記目標内部状態決定手段は、弾性体アクチュエータの出力と弾性体アクチュエータの内部状態の関係を多項式で近似し、上記多項式により上記弾性体アクチュエータの出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を上記目標内部状態計算手段で計算し決定することを特徴とする第１の態様に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置を提供する。

本発明の第３態様によれば、上記目標内部状態決定手段は、上記弾性体アクチュエータの出力と上記弾性体アクチュエータの内部状態の関係をメモリにテーブルとして記憶し、上記テーブルにより上記弾性体アクチュエータの出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を決定することを特徴とする第１の態様に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置を提供する。

本発明の第４態様によれば、上記弾性体アクチュエータは流体圧により駆動される流体圧駆動アクチュエータであること特徴とする第１〜３のいずれか１つの態様に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置を提供する。

本発明の第５態様によれば、上記流体圧駆動アクチュエータは、中空弾性体と、上記中空弾性体の気密封止を行う１組の封止部材と、上記中空弾性体の中空内部に対し流体の注入あるいは注出が可能となる流体通過部材とを有する弾性膨張収縮構造体であること特徴とする第４の態様に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置を提供する。

本発明の第６態様によれば、上記弾性体アクチュエータの内部状態は流体圧力であり、上記弾性体アクチュエータの上記内部状態を計測する上記内部状態計測手段は、圧力計測手段であること特徴とする第４の態様に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置を提供する。

本発明の第７態様によれば、上記弾性体アクチュエータの出力は変位であり、上記弾性体アクチュエータの出力を計測する上記出力計測手段は、変位計測手段であること特徴とする第１の態様に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置を提供する。

本発明の第８態様によれば、弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御方法であって、
上記弾性体アクチュエータの内部状態を内部状態計測手段により計測し、
上記弾性体アクチュエータの出力を出力計測手段により計測し、
上記弾性体アクチュエータの出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記弾性体アクチュエータの出力の計測値とが出力誤差補償手段に入力されて出力誤差を上記出力誤差補償手段により補償し、
上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を目標内部状態決定手段により決定し、
上記出力誤差補償手段からの出力、及び上記目標内部状態決定手段からの出力、及び上記内部状態計測手段からの出力が内部状態誤差補償手段に入力されて内部状態誤差を上記内部状態誤差補償手段により補償し、上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御するとともに、
上記目標内部状態決定手段で上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を決定するとき、上記弾性体アクチュエータの出力の上記目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より逆運動学計算手段で逆運動学計算を行い、上記逆運動学計算手段の出力に基づき上記弾性体アクチュエータの内部状態の上記目標値を目標内部状態計算手段で決定する、弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御方法を提供する。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の概念を示すブロック線図である。図１において、１０１は目標出力生成手段であり、流体圧により駆動される流体圧駆動アクチュエータである弾性体アクチュエータ１０２の出力の目標値を生成する。１０４は弾性体アクチュエータ１０２に接続される出力計測手段であり、弾性体アクチュエータ１０２の出力の計測値を計測して、計測値を目標内部状態決定手段１０５と出力誤差補償手段１０３にそれぞれ入力する。１０３は目標出力生成手段１０１からの目標値が入力される出力誤差補償手段であり、出力計測手段１０４により計測される弾性体アクチュエータ１０２の出力の計測値を目標値に追従させるように制御を行う。１０５は目標出力生成手段１０１の出力情報が入力される目標内部状態決定手段であり、上記出力の目標値及び上記出力の計測値より、弾性体アクチュエータ１０２の内部状態目標値を決定する。１０６は出力誤差補償手段１０３からの出力情報と目標内部状態決定手段１０５からの内部状態目標値と内部状態計測手段１０７からの内部状態計測値が入力される内部状態誤差補償手段であり、内部状態誤差補償手段１０６からの出力情報が弾性体アクチュエータ１０２に入力されて弾性体アクチュエータ１０２の内部状態計測値を目標値に追従させるように制御を行う。１０７は各弾性体アクチュエータ１０２に接続される内部状態計測手段であり、各弾性膨張収縮構造体１の内部圧力である内部状態計測値を測定して、内部状態計測値を内部状態誤差補償手段１０６に入力する。

次に、第１実施形態の弾性体アクチュエータ１０２の制御装置の具体的な例について、制御対象としてロボットアーム１０を例に取り説明を行う。

図２は本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータ１０２の制御装置の制御対象となるロボットアーム１０の構成を示す図である。図２において、１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂ、１−３ａ、１−３ｂ、１−４ａ、１−４ｂ、１−５ａ、１−５ｂ、１−６ａ、１−６ｂ（これらは個別の弾性膨張収縮構造体に対する参照符号であり、代表的に弾性膨張収縮構造体を指し示すときには参照符号１で示す。）は弾性膨張収縮構造体である。弾性膨張収縮構造体１は図３に示すように、ゴム材料で構成されて駆動部として機能する管状の中空弾性体２の外表面に、材料的には伸びにくい樹脂又は金属の繊維コードで網目状に編んで、管状弾性体２の膨張による半径方向の変形が軸方向の長さの収縮に変換される一方、管状弾性体２の収縮による半径方向の変形が軸方向の長さの膨張に変換されるように構成された変形方向規制部材３が配設され、管状弾性体２の両端部を封止部材４でそれぞれ気密封止する構造となっている。内部に圧縮性流体が通過する流体の流路を有して上記弾性体２の中空内部に対して流体の注入あるいは注出が可能となる管状の流体通過部材５を通じて空気等の圧縮性流体を供給し、供給された圧縮性流体により内圧を管状弾性体２の内部空間に与えると、管状弾性体２が主に半径方向に膨張しようとするが、変形方向規制部材３の作用により、管状弾性体２の中心軸方向の運動に変換され、全長が収縮するため、直動駆動の弾性体アクチュエータ１０２として利用可能である。

図２のロボットアーム１０では、１組の弾性膨張収縮構造体１，１を関節軸を支点に対向するように配設し、１組の弾性膨張収縮構造体１，１のうちのどちらか一方の弾性膨張収縮構造体１が収縮しかつ他方の弾性膨張収縮構造体１が伸張すると、支点を介して力が作用して関節軸が回転する拮抗型駆動構造とすることにより、関節軸での正逆回転運動を実現することができる。具体的には、弾性膨張収縮構造体１−１ａと弾性膨張収縮構造体１−１ｂ（弾性膨張収縮構造体１−１ｂは弾性膨張収縮構造体１−１ａの背後に位置するため図示せず。）の拮抗駆動により第１関節軸６−１を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−２ａと弾性膨張収縮構造体１−２ｂの拮抗駆動により第２関節軸６−２を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−３ａと弾性膨張収縮構造体１−３ｂの拮抗駆動により第３関節軸６−３を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−４ａと弾性膨張収縮構造体１−４ｂの拮抗駆動により第４関節軸６−４を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−５ａと弾性膨張収縮構造体１−５ｂの拮抗駆動により第５関節軸６−５を正逆回転駆動し、弾性膨張収縮構造体１−６ａと弾性膨張収縮構造体１−６ｂの拮抗駆動により第６関節軸６−６を正逆回転駆動する構造となっている。

図２の９−１ａ，９−１ｂ，９−２ａ，９−２ｂ，９−３ａ，９−３ｂ，９−４ａ，９−４ｂ，９−５ａ，９−５ｂ，９−６ａ，９−６ｂは、弾性膨張収縮構造体１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂ、１−３ａ、１−３ｂ、１−４ａ、１−４ｂ、１−５ａ、１−５ｂ、１−６ａ、１−６ｂのそれぞれの内部状態計測手段の一例である圧力センサであり、それぞれの流体通過部材５（流体注入出口）に配設され、それぞれの弾性膨張収縮構造体内の圧力を計測する。

詳しくは、上記ロボットアーム１０は、６自由度のロボットアームであって、固定壁３０１に対して、上下方向軸沿いに横方向沿いの平面内で正逆回転する第１関節軸６−１と、上下方向沿いの平面内で正逆回転する第２関節軸６−２と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で上下方向沿いの平面内で相互に正逆回転とする第３関節軸６−３と、第２腕３０８と第１腕３１１との間で第３関節軸６−３と直交する軸方向に正逆回転とする第４関節軸６−４と、第１腕３１１と手３１３との間で上下方向沿いの平面内で相互に正逆回転とする第５関節軸６−５と、第１腕３１１と手３１３との間で第５関節軸６−５と直交する軸方向に正逆回転とする第６関節軸６−６とより構成されている。

第１関節軸６−１では、上下端部が軸受け３０４と３０５で回転自在にかつ上下方向沿いに支持された回転軸３０３の両側に円形支持体３０２，３０２が回転自在に連結され、かつ、弾性膨張収縮構造体１−１ａ及び１−１ｂ（ただし、弾性膨張収縮構造体１−１ｂは弾性膨張収縮構造体１−１ａの背後に配設されるため図示せず。）の各一端部が固定壁３０１に連結されるとともに各他端部が上記各円形支持体３０２の支持軸３１４に連結されている。よって、弾性膨張収縮構造体１−１ａ及び１−１ｂの拮抗駆動により、第１関節軸６−１の回転軸３０３の上下軸Ｚ回りに横方向沿いの平面内でロボットアームの第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転運動させることができる。なお、上側の軸受け３０５は支持棒３０６で固定壁３０１に支持されている。

第２関節軸６−２では、回転軸３０３の両側に固定された２つの円形支持体３０２，３０２と、回転軸３０３の固定壁３０１側に回転軸３０３の長手方向と直交して固定された支持体３０７，３０７との間には、弾性膨張収縮構造体１−２ａ及び１−２ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−２ａ及び１−２ｂの拮抗駆動により、第２関節軸６−２の支持軸３１４の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアーム１０の第１腕３１１と第２腕３０８と手３１３とを一体的に正逆回転させる。

第３関節軸６−３では、２つの円形支持体３０２，３０２に一端が固定された第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２側には、支持体３０９，３０９が第２腕用リンク３０８の長手方向と直交して固定されるとともに、第２腕用リンク３０８の先端側には、第１腕用リンク３１１の一端に第１腕用リンク３１１の長手方向に直交して固定された支持体３１０が回転可能に連結されている。第２腕用リンク３０８の支持体３０９，３０９と、第１腕用リンク３１１の一端に固定された支持体３１０との間には、弾性膨張収縮構造体１−３ａ及び１−３ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−３ａ及び１−３ｂの拮抗駆動により、第３関節軸６−３の支持軸３１５の横軸回りに上下方向沿い面内でロボットアーム１０の第１腕３１１と第２腕３０８とを相対的に正逆回転させる。

第４関節軸６−４では、２つの円形支持体３０２，３０２に一端が固定された第２腕用リンク３０８の円形支持体３０２側でかつ支持体３０９，３０９と第２腕用リンク３０８の長手方向とにそれぞれ直交して支持体３２５，３２５が固定され、この支持体３２５，３２５と、第１腕用リンク３１１の一端に固定された支持体３１０との間には、弾性膨張収縮構造体１−４ａ及び１−４ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−４ａ及び１−４ｂの拮抗駆動により、第３関節軸６−３と直交する第４関節軸６−４回りにロボットアーム１０の第１腕３１１と第２腕３０８とを相対的に正逆回転させる。

第５関節軸６−５では、第１腕３１１の支持体３１０と、手３１３の一端に固定されかつ第１腕３１１に回転可能に連結された支持体３１２との間には、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂの拮抗駆動により、第５関節軸６−５の支持軸３２６の横軸回りに上下方向沿い面内で手３１３を第１腕３１１に対して正逆回転させる。

第６関節軸６−６では、第１腕３１１の支持体３１０と、手３１３の一端に固定されかつ第１腕３１１に回転可能に連結された支持体３１２との間には、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂとは９０度位相を異ならせて弾性膨張収縮構造体１−６ａ及び１−６ｂが連結されて、弾性膨張収縮構造体１−６ａ及び１−６ｂの拮抗駆動により、第５関節軸６−５と直交する第６関節軸６−６回りに手３１３を第１腕３１１に対して正逆回転させる。

弾性膨張収縮構造体１−１ａ及び１−１ｂ、弾性膨張収縮構造体１−２ａ及び１−２ｂ、弾性膨張収縮構造体１−３ａ及び１−３ｂ、弾性膨張収縮構造体１−４ａ及び１−４ｂ、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂ、弾性膨張収縮構造体１−６ａ及び１−６ｂのそれぞれには、後述するように、流量比例電磁弁１８が接続され、すべての流量比例電磁弁１８は制御コンピュータ１９に接続されて、制御コンピュータ１９の制御により、流量比例電磁弁１８を介して、弾性膨張収縮構造体１−１ａ及び１−１ｂ、弾性膨張収縮構造体１−２ａ及び１−２ｂ、弾性膨張収縮構造体１−３ａ及び１−３ｂ、弾性膨張収縮構造体１−４ａ及び１−４ｂ、弾性膨張収縮構造体１−５ａ及び１−５ｂ、弾性膨張収縮構造体１−６ａ及び１−６ｂのそれぞれの収縮・伸張動作を制御する。また、各関節軸には出力計測手段の一例である変位計測手段の一例としてのエンコーダ８が配設されており、エンコーダ８により関節軸の関節角度が測定可能であり、各弾性膨張収縮構造体１には内部状態計測手段１０７の一例である圧力計測手段の一例としての圧力センサ９が配設されており、圧力センサ９により各弾性膨張収縮構造体１の内部圧力が測定可能となっている。以上のような構造とすれば、多自由度を生かし、物体の把持・運搬など、ロボットアーム１０として基本的な機能を実現することができる。

図４は本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の制御対象であるロボットアーム１０を駆動するための空気圧供給系の構成を示す図である。図４ではロボットアーム１０の第３関節軸を正逆回転駆動する部分のみを記し、他の部分は省略している。図４において、１６は例えばコンプレッサー等の空気圧源、１７は空気圧フィルタ１７ａ、空気圧減圧弁１７ｂ、及び空気圧用ルブリケータ１７ｃが１組になった空気圧調整ユニットである。１８は例えば電磁石の力でスプール弁などを駆動することで流量を制御する５ポート流量制御電磁弁である。１９は制御部の一例としての例えば一般的なパーソナルコンピュータにより構成された制御コンピュータであり、Ｄ／Ａボード２０が搭載されており、５ポート流量制御電磁弁１８に電圧指令値を出力することにより、それぞれの流体通過部材５を流れるそれぞれの空気の流量を独立して制御可能とする。

次に、図４に示す空気圧供給系の動作について説明する。空気圧源１６により生成された高圧空気は、空気圧調整ユニット１７により減圧され、例えば６００ｋＰａといった一定圧力に調整され、５ポート流量制御電磁弁１８に供給される。５ポート流量制御電磁弁１８の開度は、制御コンピュータ１９よりＤ／Ａボード２０を介して出力される電圧指令値に比例して制御される。制御コンピュータ１９から５ポート流量制御電磁弁１８に正の電圧指令値が入力された場合には、空気圧回路記号のＡで示した状態になり、空気圧源１６側から弾性膨張収縮構造体１−３ａ側への流路が開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気が弾性膨張収縮構造体１−３ａ側に供給される。また、弾性膨張収縮構造体１−３ｂ側は、大気圧側への流路が開通し、電圧指令値の絶対値に比例した流量の空気流が弾性膨張収縮構造体１−３ｂ側から大気中へ排気される。したがって、図４に示すように、弾性膨張収縮構造体１−３ａの全長が縮み、弾性膨張収縮構造体１−３ｂの全長が伸びることにより、電圧指令値の絶対値に比例した速度で第３関節軸６−３は右回転運動を行う。一方、制御コンピュータ１９から５ポート流量制御電磁弁１８に負の電圧指令値が入力された場合には、空気圧回路記号のＢで示した状態になり、弾性膨張収縮構造体の動作は逆となり（すなわち、弾性膨張収縮構造体１−３ａの全長が伸び、弾性膨張収縮構造体１−３ｂの全長が縮むことにより）、第３関節軸６−３は左回転運動を行う。

すなわち、５ポート流量制御電磁弁１８から弾性膨張収縮構造体１側に供給された空気流は、流体通過部材５により封止部材４を通過し、管状弾性体２の内部に到達し、管状弾性体２の内圧を発生させる。管状弾性体２は発生した内圧により膨張するが、変形方向規制部材３の網目状に組まれた繊維コードの拘束作用（規制作用）により、膨張による半径方向の変形が規制されて軸方向の長さの収縮に変換され、図３の下側に示すように弾性膨張収縮構造体１の全長が短くなる。一方、５ポート流量制御電磁弁１８から空気を大気中に排気し、管状弾性体２の内圧を減ずれば、管状弾性体２の弾性力により復元して膨張が解消されて、弾性膨張収縮構造体１の全長は図３の上側に示すように伸張する。この結果、図３において、右端で固定されていると考えると、上記伸縮により、管状弾性体２の左端では距離ｄの差があることになる。したがって、第１実施形態における弾性膨張収縮構造体１は、空気圧を供給制御することにより直動変位のアクチュエータとして機能させることが可能である。伸張・短縮量は弾性膨張収縮構造体１の内圧に概ね比例するので、図４のように制御コンピュータ１９で５ポート流量制御電磁弁１８を制御して弾性膨張収縮構造体１に供給される空気流量を制御すれば、弾性膨張収縮構造体１の全長を制御できることになる。

図２に示すロボットアーム１０では、弾性膨張収縮構造体１−１ａと１−１ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−２ａと１−２ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−３ａと１−３ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−４ａと１−４ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−５ａと１−５ｂによる拮抗駆動、弾性膨張収縮構造体１−６ａと１−６ｂによる拮抗駆動のために、図５に示すように、拮抗する弾性膨張収縮構造体１それぞれに対して５ポート流量制御電磁弁１８が配設されて同様の空気圧供給系が構成されており、制御コンピュータ１９よりＤ／Ａボード２０を介してそれぞれの５ポート流量制御電磁弁１８に出力される電圧指令値により、ロボットアーム１０のすべての関節軸を同時に正逆回転駆動することができるようになっている。

図６は本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の構成を示す図である。ただし、図６において、１０は弾性体アクチュエータの制御装置の制御対象である図２に示すロボットアームである。ロボットアーム１０からはそれぞれの関節軸のエンコーダ８により計測される関節角の現在値（関節角度ベクトル）ｑ＝［ｑ_１，ｑ_２，ｑ_３，ｑ_４，ｑ_５，ｑ_６］^Ｔと、それぞれの弾性膨張収縮構造体１の圧力センサ９により計測される弾性膨張収縮構造体１の内圧Ｐ＝［Ｐ_１ａ，Ｐ_１ｂ，Ｐ_２ａ，Ｐ_２ｂ，Ｐ_３ａ，Ｐ_３ｂ，Ｐ_４ａ，Ｐ_４ｂ，Ｐ_５ａ，Ｐ_５ｂ，Ｐ_６ａ，Ｐ_６ｂ］^Ｔとが出力される。ただし、ｑ_１，ｑ_２，ｑ_３，ｑ_４，ｑ_５，ｑ_６は、それぞれ、第１関節軸６−１、第２関節軸６−２、第３関節軸６−３、第４関節軸６−４、第５関節軸６−５、第６関節軸６−６の関節角度である。また、Ｐ_１ａ，Ｐ_１ｂ，Ｐ_２ａ，Ｐ_２ｂ，Ｐ_３ａ，Ｐ_３ｂ，Ｐ_４ａ，Ｐ_４ｂ，Ｐ_５ａ，Ｐ_５ｂ，Ｐ_６ａ，Ｐ_６ｂはそれぞれ、弾性膨張収縮構造体１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂ、１−３ａ、１−３ｂ、１−４ａ、１−４ｂ、１−５ａ、１−５ｂ、１−６ａ、１−６ｂの内圧である。

また、１３はロボットアーム１０から出力された圧力センサ９により計測された弾性膨張収縮構造体１の内圧Ｐすなわち計測値Ｐが入力される圧力差計算手段であり、圧力センサ９の計測値Ｐより、圧力差ΔＰ＝［ΔＰ_１，ΔＰ_２，ΔＰ_３，ΔＰ_４，ΔＰ_５，ΔＰ_６］^Ｔ＝［Ｐ_１ａ−Ｐ_１ｂ，Ｐ_２ａ−Ｐ_２ｂ，Ｐ_３ａ−Ｐ_３ｂ，Ｐ_４ａ−Ｐ_４ｂ，Ｐ_５ａ−Ｐ_５ｂ，Ｐ_６ａ−Ｐ_６ｂ］^Ｔが圧力差計算手段１３で計算されて、出力される。

２１はロボットアーム１０から出力されたそれぞれの関節軸のエンコーダ８により計測された関節角の現在値ｑである関節角度ベクトルｑが入力される順運動学計算手段であり、ロボットアーム１０の関節角度ベクトルｑから手先位置・姿勢ベクトルｒへの変換の幾何科学的計算を行う。

２３ａ，２３ｂはそれぞれ近似逆運動学計算手段であり、近似式ｕ_ｏｕｔ＝Ｊ_ｒ（ｑ）−^１ｕ_ｉｎにより、逆運動学の近似計算を行う。ただし、Ｊ_ｒ（ｑ）はヤコビ行列、ｕ_ｉｎは近似逆運動学計算手段２３ａ，２３ｂへの入力、ｕ_ｏｕｔは近似逆運動学計算手段２３ａ，２３ｂからの出力であり、入力ｕ_ｉｎを関節角度誤差ｑ_ｅとすれば、ｑ_ｅ＝Ｊ_ｒ（ｑ）−^１ｒ_ｅのように手先位置・姿勢誤差ｒ_ｅから関節角度誤差ｑ_ｅへの変換式となる。この近似逆運動学計算手段２３ａ，２３ｂによれば、６自由度以上といった多自由度のロボットアームなど、逆運動学計算が困難な構造であっても容易に逆運動学計算が可能となる。

近似逆運動学計算手段２３ａでは、ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑと、目標軌道生成手段１１より出力される手先位置・姿勢目標ベクトルｒ_ｄとの誤差ｒ_ｅが入力されて、関節角度ベクトルの誤差ｑ_ｅが出力される。

近似逆運動学計算手段２３ｂでは、ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑと、位置誤差補償手段１２から位置誤差修正出力ΔＰ_rｅとが入力されて、関節誤差修正出力ΔＰ_ｑｅが出力される。

１１は目標軌道生成手段であり、目標とするロボットアーム１０の動作を実現するための手先位置・姿勢目標ベクトルｒ_ｄが出力される。

１２は出力誤差補償手段１０３の一例である位置誤差補償手段であり、ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑより順運動学計算手段２１により計算される手先位置・姿勢ベクトルｒと、目標軌道生成手段１１より出力される手先位置・姿勢目標ベクトルｒ_ｄとの誤差ｒ_ｅが入力され、位置誤差修正出力ΔＰ_rｅが近似逆運動学計算手段２３ｂに向けて出力される。

目標内部状態決定手段１０５は、一例として、目標圧力差計算手段１４と近似逆運動学計算手段２３ａとから構成される。目標圧力差計算手段１４には、ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑと関節角度ベクトルの誤差ｑ_ｅとに基づく目標関節角度ベクトルｑ_ｄとしてｑ_ｄ＝ｑ＋Ｊ_ｒ（ｑ）−^１ｒ_ｅが入力され、目標関節角度ベクトルｑ_ｄより目標圧力差（圧力差の目標値）ΔＰ_ｄ＝［ΔＰ_１ｄ，ΔＰ_２ｄ，ΔＰ_３ｄ，ΔＰ_４ｄ，ΔＰ_５ｄ，ΔＰ_６ｄ］^Ｔが算出され、圧力差誤差補償手段１５に向けて出力される。ただし、ΔＰ_１ｄ，ΔＰ_２ｄ，ΔＰ_３ｄ，ΔＰ_４ｄ，ΔＰ_５ｄ，ΔＰ_６ｄはそれぞれ、弾性膨張収縮構造体１−１ａと１−１ｂの、弾性膨張収縮構造体１−２ａと１−２ｂの、弾性膨張収縮構造体１−３ａと１−３ｂの、弾性膨張収縮構造体１−４ａと１−４ｂ、弾性膨張収縮構造体１−５ａと１−５ｂ、弾性膨張収縮構造体１−６ａと１−６ｂの圧力差の目標値である。

１５は内部状態誤差補正手段１０６の一例である圧力差誤差補償手段であり、目標圧力差計算手段１４から出力される目標圧力差ΔＰ_ｄと位置誤差補償手段１２から出力され、近似逆運動学計算手段により変換された関節誤差修正出力ΔＰ_ｑｅを加算し、圧力差計算手段１３からの現在の圧力差ΔＰを減算した値が入力され、圧力差修正出力ｕがロボットアーム１０に向けて出力される。圧力差修正出力ｕは、Ｄ／Ａボード２０を介して５ポート流量制御電磁弁１８に電圧指令値として与えられ、各関節軸６が正逆回転駆動されロボットアーム１０が動作する。

以上のように構成される制御装置に関して動作の原理について説明する。

動作の基本は位置誤差補償手段１２による手先位置・姿勢誤差ｒ_ｅのフィードバック制御（位置制御）である。位置誤差補償手段１２として、例えば、ＰＩＤ補償器を使用すれば、手先位置・姿勢誤差ｒ_ｅが０に収束するように制御が働き、目標とするロボットアーム１０の動作が実現する。

しかしながら、弾性体アクチュエータ、例えば図２に示す空気等の流体によって動作するアクチュエータにより駆動される場合、弾性体アクチュエータの弾性的要素、すなわち流体の圧縮性や流路抵抗等の影響により応答性が悪く、位置制御だけでは精度良く制御することができない。

こうした課題に対応するための手段が、圧力差誤差補償手段１５による圧力差ΔＰのフィードバック制御である。圧力差誤差補償手段１５には関節誤差修正出力ΔＰ_ｑｅが入力されるため、手先位置・姿勢誤差ｒ_ｅが発生すると圧力差誤差補償手段１５が動作し、手先位置・姿勢誤差ｒ_ｅが０に収束するように圧力差の制御が働く。図３に示す弾性膨張収縮構造体１では内部圧力の変化が発生して初めて変位が発生するため、時間的には位置の変化（変位）よりも圧力変化の方が早く観測されることになる。したがって、図６に示す制御系のように位置制御を行う位置フィードバックループの内側に圧力差の制御を行う内部圧力フィードバックループを構成することにより応答性の悪さを補償し、位置制御性能の向上を実現可能である。

しかしながら、圧力差誤差補償手段１５を設けるだけでは、応答性は改善されるが、位置の定常偏差が発生し、位置決め精度を向上させることはできないという問題が残る。これは目標関節角度ベクトルｑ_ｄを実現するのに必要な圧力差を目標値として圧力差誤差補償手段１５に入力していない点に起因する。

こうした課題に対応するための手段が、目標圧力差計算手段１４である。図３に示す１組の弾性膨張収縮構造体１，１の拮抗駆動による関節軸の正逆回転駆動を行う場合、関節角度と１組の弾性膨張収縮構造体１の内部圧力差の関係は、例えば、図７のようになる。図７は全長２５０ｍｍ、内径１０ｍｍの弾性膨張収縮構造体（マッキベン型空気圧人工筋）を使用した場合の結果である。図７中に示したように、測定結果は、ほぼ直線で近似することができる。したがって、目標圧力差ΔＰ_ｄを計算する式として直線を表す１次式
ΔＰ_ｄ＝Ａｑ_ｄ＋ｂ ・・・・・・式（１）
を使うことができる。ただし、Ａ、ｂは係数であり、図７の測定結果より求めることができる。したがって、目標圧力差計算手段１４において、式（１）により目標関節角度ベクトルｑ_ｄから目標圧力差ΔＰ_ｄを計算し、圧力差誤差補償手段１５に入力することにより、定常偏差の小さい高精度な位置制御が実現する。

目標内部状態決定手段１０５を構成要素とする制御系としては、図１３のような構成が考えられるが、この構成では出力の目標値のみから内部状態の目標値が決定できる弾性体アクチュエータにしか対応することができない。これに対し、第１実施形態では出力の目標値だけでなく、出力の現在値（測定値）や内部状態の現在値（測定値）より内部状態を決定するため、より多くの種類の弾性体アクチュエータへの対応が可能である。

以上の原理に基づく制御プログラムの実際の動作ステップについて、図８のフローチャートに基づいて説明する。

ステップ１では、エンコーダ８により計測された関節角度データ（関節変数ベクトル又は関節角度ベクトルｑ）が制御装置に取り込まれる。

ステップ２では、ロボットアーム１０の運動学計算に必要なヤコビ行列Ｊｒ等の計算が 近似逆運動学計算手段により行われ、ステップ３では、ロボットアーム１０からの関節角度データ（関節角度ベクトルｑ）からロボットアーム１０の現在の手先位置・姿勢ベクトルｒが順運動学計算手段２１により計算される（順運動学計算手段２１での処理）。

ステップ４では、制御装置のメモリ１９ａに予め記憶されていたロボットアーム１０の動作プログラムに基づき、目標軌道計算手段１１によりロボットアーム１０の手先位置・姿勢目標ベクトルｒ_ｄが計算される。

ステップ５では、手先位置・姿勢目標ベクトルｒ_ｄと現在の手先位置・姿勢ベクトルｒの差である手先位置・姿勢の誤差ｒ_ｅが計算され、ステップ６では、手先位置・姿勢の誤差ｒ_ｅから位置誤差修正出力ΔＰ_rｅが位置誤差補償手段１２により計算される（位置誤差補償手段１２での処理）。位置誤差補償手段１２の具体例としてはＰＩＤ補償器が考えられる。ＰＩＤ補償器の場合、ステップ６では、手先位置・姿勢の誤差ｒ_ｅに比例ゲインを乗算した値、手先位置・姿勢の誤差ｒ_ｅの微分値に微分ゲインを乗算した値、及び手先位置・姿勢の誤差ｒ_ｅの積分値に積分ゲインを乗算した値の３つの値の合計値が位置誤差修正出力ΔＰ_rｅとなる。定数の対角行列である比例、微分、積分の３つのゲインを適切に調整することにより、位置誤差が０に収束するように制御が働く。

ステップ７では、ステップ２で計算したヤコビ行列Ｊｒの逆行列を乗算することにより、位置誤差修正出力ΔＰ_ｒｅを手先位置・姿勢の誤差に関する値から関節角度の誤差に関する値である関節誤差修正出力ΔＰ_ｑｅに近似逆運動学計算手段２３ｂにより変換する（近似逆運動学計算手段２３ｂでの処理）。

ステップ８では、ヤコビ行列Ｊｒの逆行列を乗算することにより、手先位置・姿勢の誤差ｒ_ｅを関節角度ベクトルの誤差ｑ_ｅに近似逆運動学計算手段２３ａにより変換する（近似逆運動学計算手段２３ａでの処理）。

ステップ９では、目標圧力差計算手段１４により、ステップ８で計算された関節角度ベクトルの誤差ｑ_ｅとエンコーダ８により計測された現在の関節角度ｑを加算した値を目標関節角度ベクトルｑ_ｄとし、目標圧力差ΔＰ_ｄを算出する。

ステップ１０では、内部状態計測手段１０７の一例である圧力センサ９により計測されたアクチュエータの内部圧力値が制御装置に取り込まれ、拮抗駆動されるアクチュエータの内部圧力間の現在の圧力差ΔＰが圧力差計算手段１３により計算される。

ステップ１１では、ステップ７で近似逆運動学計算手段２３ｂにより計算された関節誤差修正出力ΔＰ_ｑｅとステップ９で目標圧力差計算手段１４により算出された目標圧力差ΔＰ_ｄとを加算した値から、ステップ１０で圧力差計算手段１３により計算した現在の圧力差ΔＰを減算し圧力差誤差ΔＰ_eを圧力差誤差補償手段１５で計算する（圧力差誤差補償手段１５での処理）。さらに、ステップ１１では、圧力差誤差ΔＰ_eより圧力差誤差修正出力が圧力差誤差補償手段１５で計算される（圧力差誤差補償手段１５での処理）。圧力差誤差補償手段１５としては、例えば、ＰＩＤ補償器が考えられる。

ステップ１２では、圧力差誤差修正出力が圧力差誤差補償手段１５からＤ／Ａボード２０を通じ、それぞれの流量制御弁１８に与えられ、それぞれの流量制御弁１８がそれぞれのアクチュエータ内の圧力を変化させることによりロボットアーム１０のそれぞれの関節軸の回転運動が発生する。

以上のステップ１〜ステップ１２が制御の計算ループとして繰り返し実行されることによりロボットアーム１０の動作の制御が実現する。

図９は、図２に示すロボットアーム１０を図１２に示す位置制御のみを行う従来の制御装置及び図１１に示す第１実施形態の制御装置により手先位置の軌道追従制御を行った場合の結果を示している。図９の結果は、すべて自然長の長さが２５０ｍｍ、内径が１０ｍｍの弾性膨張収縮構造体１を使用した場合の６自由度ロボットアームの手先位置の目標値と測定結果を示している。図９の（ａ）は図１２に示す従来の制御装置による制御結果である。図１２の制御装置では圧力差のフィードバック制御は行っておらず、位置制御のみを行っている。図９の（ａ）にあるように誤差は大きく、追従性は良くないことがわかる。一方、図９の（ｂ）は図１１に示す第１実施形態の制御装置による制御結果である。圧力差誤差補償手段１５及び目標圧力差計算手段１４の効果により誤差は小さく追従性に優れることがわかる。

以上のように、上記第１実施形態の制御装置によれば、圧力差誤差補償手段１５を配設して、上記弾性体アクチュエータ１０２の内部状態をフィードバックする内部圧力制御系を構成し、かつ、目標圧力差計算手段１４を配設して、上記弾性体アクチュエータ１０２の目標内部状態の一例である目標圧力差をフィードフォワードする制御系を構成することにより、応答性が良く、定常偏差の少ない、高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。

また、上記第１実施形態の制御方法によれば、圧力差誤差補償手段１５により、上記弾性体アクチュエータ１０２の内部状態をフィードバックする内部圧力制御を行い、かつ、目標圧力差計算手段１４により、上記弾性体アクチュエータ１０２の目標内部状態の一例である目標圧力差をフィードフォワードする制御を行うことにより、応答性が良く、定常偏差の少ない、高精度なロボットアーム１０の制御が可能となる。

なお、図６の制御系では目標内部状態決定手段１０５への入力を手先位置・姿勢の誤差としたが、誤差は目標値と計測値の差であり、図１４のように（ロボットアーム１０において計測される関節角度ベクトルの現在値ｑより順運動学計算手段２１により計算される手先位置・姿勢ベクトルｒと、目標軌道生成手段１１より出力される手先位置・姿勢目標ベクトルｒ_ｄとの誤差ｒ_ｅが近似逆運動学計算手段２３ａに入力されるように）ブロック線図は変形できることから、目標値を入力とする場合と、誤差を入力とする場合に本質的な違いはない。

（第２実施形態）
図１０は本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の構成を示す図である。図１０において、２０１は重力補償手段である。目標軌道生成手段１１からはロボットアーム１０の目標関節角度ベクトルｑ_ｄが出力され、エンコーダ８により計測された現在の関節角度ベクトルｑとの差ｑ_ｄを補償する関節角度のフィードバック制御を行う制御系となっている。その他の構成は図６に示した第１実施形態の制御装置と同様であり説明は省略する。

重力補償手段２０１には、エンコーダ９により計測された現在の関節角度ベクトルｑが入力されて、ロボットアーム１０の各リンクの姿勢が重力補償手段２０１で計算され、重力の影響により各関節軸に発生するトルク値が重力補償手段２０１で計算される。トルク値は目標圧力差決定手段１４に入力され、目標圧力差ΔＰ_ｄを計算する式（１）の係数Ａ、ｂが補正される。

図１０に示す制御装置によれば、目標内部状態決定手段１０５に重力補償手段２０１を配設する事により、重力の影響によりロボットアーム１０が下方に垂れ下がることなく、より精度の高い制御が可能となる。

（第３実施形態）
図１１は本発明の第３実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の構成を示す図である。図１１において、２０２は温度補償手段である。ロボットアーム１０には内部状態計測手段１０７の一例である温度センサー（図示せず）が配設されており、弾性体アクチュエータ１０２の弾性体の温度Ｔが測定される。その他の構成は図１０に示した第２実施形態の制御装置と同様であり説明は省略する。

弾性体アクチュエータ１０２の弾性体の温度が変化すると、弾性体の弾性率が変化し、目標圧力差ΔＰ_ｄを計算する式（１）の係数Ａ、ｂが変化する。この弾性体の温度変化による影響を補償するため、温度Ｔが温度補償手段２０２に入力され、温度補償手段２０２では、種々の温度において実験により導出した係数Ａ，ｂを基に温度Ｔと係数Ａ，ｂの関係を多項式により近似し、これらの多項式により温度補正された係数Ａ，ｂが計算される。補正された係数Ａ、ｂは目標圧力差決定手段１４に入力され、式（１）に基づき、補正された目標圧力差ΔＰ_ｄが出力される。

以上のように、図１１に示す制御装置によれば、内部状態である温度Ｔが目標内部状態決定手段１０５に入力され、目標内部状態決定手段１０５に温度補償手段２０２を配設する事により、温度変化による影響を除去し、より精度の高い制御が可能となる。

なお、上記各実施形態では目標圧力差計算手段１４において関節角度と圧力差の関係を１次方程式で近似したが、これに限られるわけではなく、２次方程式など多次元の多項式でも近似できることは言うまでもない。このように、弾性体アクチュエータの出力と弾性体アクチュエータの内部状態の関係を多項式で近似する場合には、上記目標内部状態決定手段１０５が、上記多項式により上記弾性体アクチュエータの出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を計算し決定する。また、多項式で近似するのではなく、上記目標内部状態決定手段１０５により、上記弾性体アクチュエータの出力と上記弾性体アクチュエータの内部状態の関係（例えば、関節角度と圧力差の関係）を制御装置のメモリ１９ａ（図４参照）にテーブルとして記憶させておき、テーブルに基づき、上記弾性体アクチュエータの出力の目標値（例えば関節角度の目標値）から上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値（例えば圧力差の目標値）を導出するという構成とすることもできる。

また、上記各実施形態では、出力を関節角度としたが、これに限られるわけではなく、出力計測手段を変位速度計測手段の一例としての変位速度センサとし、出力値を変位速度として変位速度制御を行う場合でも同様である。

また、上記各実施形態では、出力を関節角度としたが、これに限られるわけではなく、出力計測手段を力計測手段の一例としての力センサとし、出力値を力として力制御を行う場合でも同様である。

また、上記各実施形態では、内部状態計測手段１０７の一例としてセンサーを設けるとしたが、オブザーバ（観測器）を設け、内部状態を推定し、内部状態の推定値を使用する場合でも同様の効果を発揮する。

また、上記各実施形態では弾性体アクチュエータとして、流体圧により駆動される流体圧駆動アクチュエータを例に説明を行ったが、これに限られるわけではなく、導電性ポリマー、誘電体ポリマー、各種ゲル等の弾性体を電気的刺激により駆動するアクチュエータの場合でも、内部状態として電界又は電荷量等を採用することにより同様の効果を発揮する。

なお、上記様々な実施形態のうちの任意の実施形態を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明の弾性体アクチュエータの制御装置及び制御方法は、弾性体アクチュエータにより動作するロボットアームの手先位置の軌道制御等の位置制御を行う制御装置及び制御方法として有用である。また、ロボットアームに限らず、生産設備等における弾性体アクチュエータによる回転機構の制御装置及び制御方法や、リニアスライダやプレス装置等の弾性体アクチュエータによる直動機構の制御装置及び制御方法としても適用が可能である。

本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の概念を示すブロック線図である。 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の制御対象であるロボットアームの構造を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の制御対象であるロボットアームを駆動する弾性膨張収縮構造体の構造及び動作を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の制御対象であるロボットアームを圧縮性流体である空気により駆動するための空気圧供給系の動作を示す図である 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の制御対象であるロボットアームを圧縮性流体である空気により駆動するための空気圧供給系の構成を示す図である 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の構造を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの弾性膨張収縮構造体による拮抗駆動における関節角度と内部圧力差の関係を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の制御プログラムの実際の動作ステップのフローチャートである。 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置による制御結果を示す図である。 本発明の第２実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の構造を示す図である。 本発明の第３実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の構造を示す図である。 従来の位置制御のみを行う制御装置の構造を示す図である。 従来の出力の目標値のみから内部状態の目標値を決定する制御装置の構造を示す図である。 本発明の第１実施形態にかかる弾性体アクチュエータの制御装置の構造を変形して示した図である。

符号の説明

１、１−１ａ、１−１ｂ、１−２ａ、１−２ｂ、１−３ａ、１−３ｂ、１−４ａ、１−４ｂ、１−５ａ、１−５ｂ、１−６ａ、１−６ｂ 弾性膨張収縮構造体
２ 管状弾性体
３ 変形方向規制部材
４ 封止部材
５ 流体通過部材
６、６−１、６−２、６−３、６−４、６−５、６−６ 関節軸
８ エンコーダ（出力計測手段の一例である変位計測手段の一例）
９ 圧力センサ（内部状態計測手段の一例である圧力計測手段の一例）
１０ ロボットアーム
１１ 目標軌道生成手段
１２ 位置誤差補償手段
１３ 圧力差計算手段
１４ 目標圧力差計算手段
１５ 圧力差誤差補償手段
１６ 空気圧源
１７ 空気圧調整ユニット
１８ ５ポート流量制御電磁弁
１９ 制御コンピュータ
１９ａ メモリ
２０ Ｄ／Ａボード
２１ 順運動学計算手段
２２ 逆運動学計算手段
２３ａ，２３ｂ 近似逆運動学計算手段
１０１ 目標出力生成手段
１０２ 弾性体アクチュエータ
１０３ 出力誤差補償手段
１０４ 出力計測手段
１０５ 目標内部状態決定手段
１０６ 内部状態誤差補償手段
１０７ 内部状態計測手段
２０１ 重力補償手段
２０２ 温度補償手段

Claims (8)

1. 弾性体アクチュエータ（１０２）を用いた多自由度のロボットアームの制御装置であって、
   上記弾性体アクチュエータの内部状態を計測する内部状態計測手段（１０７，９）と、
   上記弾性体アクチュエータの出力を計測する出力計測手段（１０４，８）と、
   上記弾性体アクチュエータの出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記弾性体アクチュエータの出力の計測値とが入力されることにより出力誤差を補償する出力誤差補償手段（１０３，１２）と、
   上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より、上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を決定する目標内部状態決定手段（１０５）と、
   上記出力誤差補償手段からの出力、及び上記目標内部状態決定手段からの出力、及び上記内部状態計測手段からの出力が入力されることにより内部状態誤差を補償する内部状態誤差補償手段（１０６，１５）とを備えるとともに、
   上記目標内部状態決定手段は、上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より、逆運動学計算を行う逆運動学計算手段と、上記逆運動学計算手段の出力に基づき上記弾性体アクチュエータの内部状態の上記目標値を決定する目標内部状態計算手段を有して、
   上記内部状態誤差補償手段により補償された上記内部状態誤差に基づき上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御する弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置。
2. 上記目標内部状態決定手段（１０５）は、弾性体アクチュエータの出力と弾性体アクチュエータの内部状態の関係を多項式で近似し、上記多項式により上記弾性体アクチュエータの出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を上記目標内部状態計算手段で計算し決定することを特徴とする請求項１に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置。
3. 上記目標内部状態決定手段（１０５）は、上記弾性体アクチュエータの出力と上記弾性体アクチュエータの内部状態の関係をメモリ（１９ａ）にテーブルとして記憶し、上記テーブルにより上記弾性体アクチュエータの出力の目標値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を決定することを特徴とする請求項１に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置。
4. 上記弾性体アクチュエータは流体圧により駆動される流体圧駆動アクチュエータであること特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置。
5. 上記流体圧駆動アクチュエータは、中空弾性体（２）と、上記中空弾性体の気密封止を行う１組の封止部材（４）と、上記中空弾性体の中空内部に対し流体の注入あるいは注出が可能となる流体通過部材（５）とを有する弾性膨張収縮構造体であること特徴とする請求項４に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置。
6. 上記弾性体アクチュエータの内部状態は流体圧力であり、上記弾性体アクチュエータの上記内部状態を計測する上記内部状態計測手段は、圧力計測手段（９）であること特徴とする請求項４に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置。
7. 上記弾性体アクチュエータの出力は変位であり、上記弾性体アクチュエータの出力を計測する上記出力計測手段は、変位計測手段（８）であること特徴とする請求項１に記載の弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御装置。
8. 弾性体アクチュエータ（１０２）を用いた多自由度のロボットアームの制御方法であって、
   上記弾性体アクチュエータの内部状態を内部状態計測手段（１０７，９）により計測し、
   上記弾性体アクチュエータの出力を出力計測手段（１０４，８）により計測し、
   上記弾性体アクチュエータの出力の目標値と上記出力計測手段により計測された上記弾性体アクチュエータの出力の計測値とが出力誤差補償手段（１０３，１２）に入力されて出力誤差を上記出力誤差補償手段により補償し、
   上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を目標内部状態決定手段（１０５）により決定し、
   上記出力誤差補償手段からの出力、及び上記目標内部状態決定手段からの出力、及び上記内部状態計測手段からの出力が内部状態誤差補償手段（１０６，１５）に入力されて内部状態誤差を上記内部状態誤差補償手段により補償し、上記弾性体アクチュエータの上記出力の計測値を上記出力の目標値とするように制御するとともに、
   上記目標内部状態決定手段で上記弾性体アクチュエータの出力の目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より上記弾性体アクチュエータの内部状態の目標値を決定するとき、上記弾性体アクチュエータの出力の上記目標値及び上記弾性体アクチュエータの出力の計測値より逆運動学計算手段で逆運動学計算を行い、上記逆運動学計算手段の出力に基づき上記弾性体アクチュエータの内部状態の上記目標値を目標内部状態計算手段で決定する、弾性体アクチュエータを用いた多自由度のロボットアームの制御方法。

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